Η ολοκληρωμένη εκτίμηση της θειολικής οξειδοαναγωγικής κατάστασης (ΘΟΚ) ενός οργανισμού ιστού ή κυττάρου είναι πολύ σημαντική καθώς οξειδοαναγωγικές αλλαγές των διαφόρων θειολικών μορίων συνδέονται με το οξειδωτικό στρες και με αρκετές ασθένειες. Η γενική ΘΟΚ (ΓΘΟΚ) χαρακτηρίζεται από τις συγκεντρώσεις ορισμένων συνόλων θειολικών μορίων στην αναγμένη και την οξειδωμένη μορφή τους (θειολικά οξειδοαναγωγικά ζεύγη). Αυτά τα ζεύγη μπορεί να είναι μη πρωτεϊνικά (non-protein ή NP) (όπως NPSH και NPSSNP με το NP να συμβολίζει οποιαδήποτε άλλη μη πρωτεϊνική θειόλη) ή πρωτεϊνικά (protein ή P) (όπως PSH, PSSP και PSSNP). Ειδικότερα, οι κυριότερες μη πρωτεϊνικές θειόλες γλουταθειόνη (GSH) και κυστεΐνη (CSH) μαζί με τα συμμετρικά, μεικτά δισουλφίδιά τους και τις οξειδωμένες τους μορφές (GSSG, PSSG, PSSC, NPGSHox, NPCSHox,) είναι τα οξειδοαναγωγικά ζεύγη τα οποία χαρακτηρίζουν την ειδική ΘΟΚ (ΕΘΟΚ), καθώς είναι εκείνα που απαντώνται σε υψηλότερη συγκέντρωση στους οργανισμούς. Στη διεθνή βιβλιογραφία δεν υπάρχει μεθοδολογία για την ταυτόχρονη ποσοτικοποίηση των θειολικών μορίων που χαρακτηρίζουν τη ΘΟΚ των οργανισμών. Συνεπώς, στόχος της παρούσας μελέτης είναι η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου ποσοτικοποίησης τόσο της ΓΘΟΚ όσο και της ΕΘΟΚ, που να είναι εφαρμόσιμη σε όλους τους οργανισμούς. Για το διαχωρισμό πρωτεϊνικών και μη πρωτεϊνικών μορίων χρησιμοποιήθηκε το τριχλωροακετικό οξύ που σε ορισμένη συγκέντρωση (>5%) καταβυθίζει αποτελεσματικά όλες τις πρωτεΐνες. Ο ποσοτικός προσδιορισμός των δισουλφιδικών μορίων και οξειδωμένων μορφών (NPSSNP, PSSP, PSSNP, GSSG, NPGSHox, NPCSHox, PSSG και PSSC) πραγματοποιήθηκε μετά από αναγωγή τους (με το αντιδραστήριο tributyl phosphine), ενώ ο ποσοτικός προσδιορισμός των ελεύθερων θειολών (PSH, NPSH, GSH και CSH) πραγματοποιήθηκε χωρίς την αναγωγή τους. Ειδικότερα, η ποσοτικοποίηση των αναγμένων διθειολικών ομάδων (δισουλφιδίων) και των ελεύθερων θειολών έγιναν με τα αντιδραστήρια 4,4-dithiodipyridine (για τις -SH ομάδες των αναγμένων δισουλφιδίων, καθώς και για τις ελεύθερες NPSH και PSH), o-phthalaldehyde (για την GSH, GSSG και NPGSHox) και νινυδρίνη (για την CSH και την NPCSHox), σε συνδυασμό με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία βασισμένη στη στοιχειομετρία των αντιδράσεων αναγωγής. Η υψηλή ευαισθησία της μεθόδου (στο επίπεδο του nmol) την καθιστά εφαρμόσιμη ακόμη και σε βιολογικά δείγματα χαμηλής περιεκτικότητας σε θειόλες (όπως πχ. το οφθαλμικό και το εγκεφαλονωτιαίο υγρό). / The thiol redox state (TRS) is an essential condition of prokaryotic and eukaryotic cells associated with all major biological processes. The general TRS (GTRS) part of it, is characterized by the levels of all thiol compounds of protein or non-protein origin in their reduced or oxidized form (thiol redox couples), while the specific TRS (STRS) by the levels of certain thiols, reduced and oxidized, free or membrane bound. The GTRS redox couples are composed of non-protein (NP) (such as NPSH and NPSSNP) or protein (P) (such as PSH, PSSP and PSSNP) thiols. On the other hand, the STRS redox couples are composed of the main non-protein thiol glutathione (GSH) and cysteine (CSH) together with their symmetric, mixed disulfides and oxidized forms (GSSG, PSSG, PSSC, NPGSHox, NPCSHox). In light of the fact that there is not available any appropriate method in literature for the simultaneous determination of the main thiol components that characterize TRS, a new method is developed for the purpose of this study for the quantification of GTRS and STRS, applicable to any organism. For the separation of protein from non protein thiols, trichloroacetic acid was chosen (at 5%) as the most effective protein precipitant. The determination of disulfides and oxidized forms (NPSSNP, PSSP, PSSNP, GSSG, PSSG, PSSC, NPGSHox and NPCSHox) was accomplished after their reduction with the tributyl phosphine (which, because of its hydrophobicity effectively reduces protein thiols as well), whereas the quantification of free thiols (PSH, NPSH, GSH and CSH) was accomplished without reduction. Reduced disulfides and free thiols were quantified by the more effective than DTNB 4,4-dithiodipyridine (for the determination of -SH groups of reduced disulfides as well as of free NPSH and PSH), o-phthalaldehyde (for the specific determination of GSH, GSSG and NPGSHox) and ninhydrin (for the specific determination of CSH and NPCSHox). The high sensitivity of the method (in the level of nmoles) makes it applicable even in biological samples of very low thiol concentration (such as ophthalmic or cerebrospinal fluid).

L'oxydation des résidus cystéines est une modification biochimique très répandue survenant dans tous les compartiments des cellules eucaryotes. Ce phénomène sert le repliement oxydatif des protéines dans le réticulum endoplasmique (RE), l'importation de protéines dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie (IMS). De plus, il a un rôle régulateur dans la matrice mitochondriale et dans le cytosol où il contrôle l’activité des enzymes et des protéines de signalisation et de régulation. Dans tous ces procédés, la réversibilité de l'oxydation des résidus Cys est une caractéristique essentielle. Deux systèmes oxydoréductase puissants existent : les voies de glutathion (GSH) et la thiorédoxine ; ils catalysent la réduction des ponts disulfure, et contrôlent la plupart des processus cellulaires thiol-redox dépendant. Cependant, en dépit d'énormes connaissances portant sur leur enzymologie, peu est connu sur les caractéristiques physiologiques de ces systèmes chez les eucaryotes. Pour déterminer l'importance physiologique de ces systèmes et indiquer lequel est à la base de l'exigence du GSH pour la viabilité, nous avons effectué une analyse complète des cellules de levure épuisée ou contenant des niveaux toxiques de GSH. Les deux conditions déclenchent une réponse « iron-starvation-like » et une altération de l'activité des enzymes d’assemblage des centres fer-soufre (Iron sulfure cluster : ISC) extra-mitochondriales. Cependant, elles n’ont pas d'impact sur l’entretien thiol redox, à l’exception des niveaux élevés de glutathion qui ont altéré le repliement oxydatif des protéines dans le reticulum endoplasmique. Alors que le fer sauve partiellement la maturation des ISC et les défauts de croissance des cellules appauvries eh GSH, des expériences génétiques ont indiqué que, contrairement à la thiorédoxine, le glutathion ne peut pas assurer par lui-même les fonctions thiol-redox de la cellule. Nous proposons que le glutathion soit essentiel par son exigence dans l’assemblage des centres fer-soufre, mais ne serve comme backup que pour maintenir l’état thiol-redox de la cellule. Des niveaux physiologiques élevés de GSH sont ainsi destinés à isoler sa fonction dans le métabolisme du fer des variations de sa concentration pendant le stress redox, ce qui constitue un modèle contestant la vision traditionnelle du GSH comme acteur primordial du contrôle thiol-redox cytosolique.Nos données préliminaires sur la distribution de GSH dans les cellules recueillies par lasurveillance de l'état redox de rxYFP ciblée pour différents compartiments cellulaires (RE,Matrice, cytosol et IMS) dans les cellules HGT1 indiquent un transport spécifique du GSH vers le RE et l'exportation de GSSG de ce compartiment. Nous avons pu caractériser deuxtransporteurs ABC dont la suppression modifie le RE plus oxydant et entraîne une accumulation de GSSG par rapport aux cellules sauvages. Ces données ont été confirmées par le suivi de l'état redox de PDI1 et ERO1 (WT et hyper active). Elles suggèrent un rôle de ces transporteurs dans l'exportation du GSSG du la RE, et que le flux de GSH entre les différents compartiments est très régulé. / Cys residue oxidation is a widespread biochemical modification occurring in all eukaryotic cells compartments. It serves oxidative protein folding in the endoplasmic reticulum (ER), protein import in the intermembrane space of mitochondria (IMS), and it has a regulatory role in the mitochondrial matrix and in the cytosol where it controls enzymes and signaling regulatory proteins activity. In all these processes, reversibility of Cys residue oxidation is a crucial feature. Two potent oxidoreductase systems, the glutathione (GSH) and thioredoxin pathways, catalyze disulfide bond reduction, and presumably control most thiol-redox-dependent cellular processes. However, despite tremendous knowledge of their enzymology, little is known about the physiological features of these systems in eukaryotes. To determine the physiologic importance of these functions and sort out which of them accounts for the GSH requirement for viability, we performed a comprehensive analysis of yeast cells depleted of or containing toxic levels of GSH. Both conditions triggered an intense iron-starvation-like response and impaired the activity of extra-mitochondrial ISC enzymes, but did not impact thiol-redox maintenance, except high glutathione levels that altered oxidative protein folding in the endoplasmic reticulum. While iron partially rescued the ISC maturation and growth defects of GSH-depleted cells, genetic experiments indicated that unlike thioredoxin, glutathione could not support by itself the thiolredox duties of the cell. We propose that glutathione is essential by its requirement in ISC assembly but only serves as a thioredoxin back up in cytosolic thiol-redox maintenance. Glutathione high physiologic levels are thus meant to insulate its function in iron metabolism from variations of its concentration during redox stresses, a model challenging the traditional view of it as prime actor in cytosolic thiol-redox control.Our preliminary data on the distribution of GSH inside cells collected by monitoring the redox state of rxYFP targeted to different cell compartments (ER, Matrix, Cytosol and IMS) in HGT1 cells indicate a specific transport of GSH into the ER and export of GSSG out of it. We were able to characterize two ABC transporters on which their deletion modify the redox state of the ER to more oxidizing and result in accumulation of higher GSSG content compared to WT. These data were confirmed by looking to the redox state of the PDI1 and ERO1 (WT and hyper active), all together suggest a role of these transporters in GSSG export from the ER, and that GSH flux between the different compartments is highly regulated.

Orientador: Roberto Carlos Burini / Resumo: A prevalência mundial de Síndrome Metabólica (SM) está aumentando drasticamente nos últimos anos. Esta desordem consiste de um conjunto de condições metabólicas, contemplando hiperadiposidade abdominal, resistência insulínica (RI), dislipidemia e hipertensão, e é fator de risco para o desenvolvimento de Diabetes Mellitus tipo 2 (DM2) e doenças cardiovasculares (DCVs). Muitos estudos indicam a participação do estresse oxidativo (EO) junto com o estado estresse inflamatório (EI) como parte do desenvolvimento e agravamento da SM e surgimento das doenças crônicas não-transmissíveis (DCNTs). O EO é caracterizado como estado de desequilíbrio entre os sistemas oxidativo e antioxidante, resultando no excesso de espécies reativas de oxigênio (EROs), menor capacidade antioxidante e efeitos deletérios a tecidos e células. A regulação das reações de oxidação e redução são importantes para o controle de funções fisiológicas e combate ao estresse. Diante disso, os aminotióis ou compostos tio-redox (homocisteína, cisteína e glutationa) exercem importante papel no equilíbrio do estado redox celular. Neste artigo de revisão, analisamos os aspectos fisiopatológicos de compostos tio-redox no curso da SM. / Abstract: The worldwide prevalence of Metabolic Syndrome (MetS) has been increasing dramatically in recent years. MetS is a set of metabolic conditions, including abdominal hyperadiposity, insulin resistance, dyslipidemia and hypertension, and is a risk factor for the development of type 2 diabetes mellitus and cardiovascular diseases. Many studies indicate the participation of oxidative stress along with the pro-inflammatory state as part of the development and aggravation of MetS and emergence of chronic noncommunicable diseases. Oxidative stress is characterized as a state of imbalance between oxidative and antioxidant systems, resulting in excess of reactive oxygen species, lower antioxidant capacity and deleterious effects on tissues and cells. The regulation of the oxidation and reduction reactions are important for the control of physiological functions and the fight against stress. In view of this, the aminothiols or thiol-redox compounds (homocysteine, cysteine and glutathione) play an important role in the equilibrium of the cellular redox state. In this review article, we analyze the pathophysiological aspects of thiol-redox compounds in the course of MetS. / Mestre

Submitted by Hugo Tadashi Kano null (tada_tk@aluno.ibb.unesp.br) on 2018-03-15T12:00:25Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Mestrado - Hugo Tadashi Kano.pdf: 1976397 bytes, checksum: 22cf9f00e7caf878327b4634bb6d02ad (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Pizzani null (luciana@btu.unesp.br) on 2018-03-19T12:53:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 kano_ht_me-bot.pdf: 1976397 bytes, checksum: 22cf9f00e7caf878327b4634bb6d02ad (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-19T12:53:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 kano_ht_me-bot.pdf: 1976397 bytes, checksum: 22cf9f00e7caf878327b4634bb6d02ad (MD5) Previous issue date: 2018-02-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A prevalência mundial de Síndrome Metabólica (SM) está aumentando drasticamente nos últimos anos. Esta desordem consiste de um conjunto de condições metabólicas, contemplando hiperadiposidade abdominal, resistência insulínica (RI), dislipidemia e hipertensão, e é fator de risco para o desenvolvimento de Diabetes Mellitus tipo 2 (DM2) e doenças cardiovasculares (DCVs). Muitos estudos indicam a participação do estresse oxidativo (EO) junto com o estado estresse inflamatório (EI) como parte do desenvolvimento e agravamento da SM e surgimento das doenças crônicas não-transmissíveis (DCNTs). O EO é caracterizado como estado de desequilíbrio entre os sistemas oxidativo e antioxidante, resultando no excesso de espécies reativas de oxigênio (EROs), menor capacidade antioxidante e efeitos deletérios a tecidos e células. A regulação das reações de oxidação e redução são importantes para o controle de funções fisiológicas e combate ao estresse. Diante disso, os aminotióis ou compostos tio-redox (homocisteína, cisteína e glutationa) exercem importante papel no equilíbrio do estado redox celular. Neste artigo de revisão, analisamos os aspectos fisiopatológicos de compostos tio-redox no curso da SM. / The worldwide prevalence of Metabolic Syndrome (MetS) has been increasing dramatically in recent years. MetS is a set of metabolic conditions, including abdominal hyperadiposity, insulin resistance, dyslipidemia and hypertension, and is a risk factor for the development of type 2 diabetes mellitus and cardiovascular diseases. Many studies indicate the participation of oxidative stress along with the pro-inflammatory state as part of the development and aggravation of MetS and emergence of chronic noncommunicable diseases. Oxidative stress is characterized as a state of imbalance between oxidative and antioxidant systems, resulting in excess of reactive oxygen species, lower antioxidant capacity and deleterious effects on tissues and cells. The regulation of the oxidation and reduction reactions are important for the control of physiological functions and the fight against stress. In view of this, the aminothiols or thiol-redox compounds (homocysteine, cysteine and glutathione) play an important role in the equilibrium of the cellular redox state. In this review article, we analyze the pathophysiological aspects of thiol-redox compounds in the course of MetS.

Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη της σκληρωτιακής διαφοροποίησης όπως εκφράζεται στις τέσσερις βασικές μορφές της στους μυκηλιακούς μύκητες S. rolfsii, R. solani, S. sclerotiorum και S. minor σε σχέση με τη θειολική οξειδοαναγωγική κατάσταση (ΘΟΚ), αλλά και με το οξειδωτικό στρες, στo πλαίσιο της θεωρίας της οξειδωτικώς επαγόμενης σκληρωτικής διαφοροποίησης (που προτάθηκε από το εργαστήριό μας το 1997). Ως μάρτυρες για τους υπό μελέτη μύκητες χρησιμοποιήθηκαν αντίστοιχα μη σκληρωτιογόνα στελέχη. Στη διαμόρφωση της ΘΟΚ συμμετέχουν πολλά μη πρωτεϊνικά, πρωτεϊνικά και μεικτά θειολικά και δισουλφιδικά συστατικά, ανάμεσα στα οποία η γλουταθειόνη θεωρείται ο κύριος συνδετικός κρίκος. Επειδή στη διεθνή βιβλιογραφία δεν υπήρχε κατάλληλη μεθοδολογία για τον υπολογισμό όλων των παραγόντων της ΘΟΚ για την εκπλήρωση του στόχου της μελέτης, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος εφαρμόσιμη εκτός από τους υπό μελέτη μύκητες σε όλους τους οργανισμούς. Παράλληλα, αναπτύχθηκε και μια νέα μέθοδος για την εξειδικευμένη ποσοτικοποίηση του μικρο-κατακερματισμένου DNA, καθώς στη διεθνή βιβλιογραφία οι περισσότερες υπάρχουσες μέθοδοι ήταν ποιοτικές και όχι εξειδικευμένες ως προς το μέγεθος των θραυσμάτων DNA. Επιπρόσθετα, η εκτίμηση των οξειδωτικών βλαβών στο DNA έγινε και με τη μέτρηση ενός γενικού δείκτη αυτών των βλαβών (εγκοπές και σπασίματα) με υπάρχουσα μέθοδο ύστερα από σημαντική τροποποίησή της. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε η ποσοτικοποίηση της ειδικής ενεργότητας των βασικών ενζύμων που μετέχουν στη ρύθμιση της ΘΟΚ και της σχετιζόμενης με τη ΘΟΚ ενδογενούς βιταμίνης C, καθώς και η ποσοτικοποίηση της οξειδωτικής καταστροφής των μεμβρανικών λιπιδίων. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένοι εξωγενείς τροποποιητές της ΘΟΚ. Τα αποτελέσματα της μελέτης επιβεβαίωσαν την αναγκαιότητα της ανάπτυξης των νέων μεθόδων για την ποσοτικοποίηση των παραμέτρων της ΘΟΚ και των οξειδωτικών βλαβών στο DNA ως προς την εξαγωγή πιο ασφαλών συμπερασμάτων για τη συσχέτιση της ΘΟΚ με το οξειδωτικό στρες. Συγκεκριμένα, δείχθηκε ότι οι τέσσερις μορφές σκληρωτιακής διαφοροποίησης εξαρτώνται άμεσα από το οξειδωτικό στρες, και ότι η σχετιζόμενη με αυτό ΘΟΚ μεταβάλλεται με διαφορετικό τρόπο σε κάθε μορφή σκληρωτιακής διαφοροποίησης. Το συμπέρασμα αυτό βασίστηκε στη διαπίστωση (α) της ύπαρξης διαφορετικών για κάθε μορφή διαφοροποίησης ενδογενών θειολικών παραμέτρων της ΘΟΚ και αντιοξειδωτικών ενζύμων και (β) διαφορετικών προφίλ-διαβαθμίσεων των συγκεντρώσεων των παραμέτρων της ΘΟΚ και των δεικτών οξειδωτικού στρες. Επιπρόσθετα, ο άμεσος αντιοξειδωτικός ρόλος των ενδογενών μη πρωτεϊνικών θειολικών (με –SH ομάδα) παραμέτρων της ΘΟΚ στη σκληρωτιακή διαφοροποίηση επιβεβαιώθηκε και από τη μείωση της τελευταίας κατά την τεχνητή αύξηση αυτών των παραμέτρων ύστερα από τη χορήγηση τροποποιητών της ΘΟΚ, γεγονός που θα μπορούσε να αποδοθεί στην εξ αυτών αύξηση της ενδογενούς γλουταθειόνης και της κυστεΐνης. Το συμπέρασμα αυτό ενισχύεται και από την ανάλογη αντιοξειδωτική επίδραση των χορηγούμενων θειολών-τροποποιητών της ΘΟΚ Ν-ακετυλοκυστεΐνη (που ανιχνεύτηκε και ενδοκυτταρίως) και γλουταθειόνη και της μη πρωτεϊνικής θειολικής ουσίας-μάρτυρα διθειοθρεϊτόλη. Αξίζει να σημειωθεί ότι παρόλο που τα επίπεδα της ενδογενούς γλουταθειόνης και του δισουλφιδίου της καθώς και η μεταξύ τους αναλογία συσχετίζονται συνήθως με το οξειδωτικό στρες στη διεθνή βιβλιογραφία, στην παρούσα μελέτη διαπιστώθηκε ότι δεν συμβαδίζουν με τους αποδεδειγμένους δείκτες του οξειδωτικού στρες υπεροξείδωση των λιπιδίων και οξειδωτικές βλάβες του DNA. Έτσι, ο ρόλος των ενδογενών θειολικών παραμέτρων της ΘΟΚ στη σκληρωτιακή διαφοροποίηση αποδεικνύεται περίπλοκος, ένεκα του ότι δεν δρουν μόνο ως άμεσοι αντιοξειδωτές αλλά και ως υποστρώματα των βασικών ενζύμων που εμπλέκονται στη ρύθμιση της ΘΟΚ. Τέλος, και στους τέσσερις τύπους σκληρωτίων ανιχνεύθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις θειολικών παραμέτρων της ΘΟΚ και βιταμίνης C, καθώς και ενζύμων που μετέχουν στη ρύθμιση της ΘΟΚ, υποδηλώνοντας ότι ο πιθανός στόχος της συσσώρευσης όλων των παραπάνω παραμέτρων της ΘΟΚ στα σκληρώτια είναι η αξιοποίησή τους για αντιοξειδωτική προστασία των υφών του μυελού του πυρήνα τους κατά το χρονικό διάστημα της αναπτυξιακής τους στασιμότητας, μέχρι να βρεθούν σε κατάλληλες συνθήκες για βλάστηση. / The aim of this dissertation was the study of sclerotial differentiation, represented by four basic sclerotial types expressed by the filamentous fungi S. rolfsii, R. solani, S. sclerotiorum and S. minor in relation to thiol redox state (TRS) and oxidative stress under the theory of the oxidative induction of sclerotiogenesis (proposed by our lab in 1997). Non-sclerotium producing fungi were used as controls of the corresponding wild type strains. TRS is known to be comprised of many non-protein, protein and mixed thiol and disulfide components, with glutathione being the central component. Since there was not available any appropriate method for the determination of all TRS components, a new method was developed for the purpose of this study and its applicability was extended to any organism. Additionally, another new method was developed for the quantification of small-sized fragmented DNA, since the existing methods were qualitative and not discriminating DNA size. Complementarily, oxidative damage of DNA was also estimated by a general DNA damage (nicks and fragments) marker by a published method that was significantly modified. TRS was also evaluated by the measurement of the specific activity of certain enzymes that regulate it, by the quantification of the TRS-related antioxidant vitamin C, as well as by the determination of oxidative damage on membrane lipids. Certain exogenous TRS modulators were also used. The results of this study verified the need for the development of the new methods for the determination of TRS parameters and oxidative damage of DNA, since their use allowed a more accurate estimation of the relation of TRS with oxidative stress. Specifically, it was found that the four studied types of sclerotial differentiation are directly related with oxidative stress, and that TRS components are variously formed and dependent on the type of sclerotial differentiation. This conclusion was based on (a) the existence of different (for each type of sclerotial differentiation) endogenous TRS thiol parameters and TRS-related antioxidant enzymes and (b) the different profiles-concentration gradients of TRS parameters and oxidative markers. Moreover, the direct antioxidant role of the endogenous TRS non-protein thiol parameters in sclerotial differentiation was verified by the decrease of the latter during the endogenous increase of those parameters after administration of the specified TRS-modulating substances. This could be attributed to the resulting by those substances increase of the endogenous glutathione and cysteine. This result was also supported by the antioxidant effect of the administered TRS-modulating thiol substances N-acetylcysteine (which was traced also intracellularly) and glutathione, and of the non-protein control-thiol dithiothreitol. It is worth noting that in spite of the fact that endogenous glutathione, its disulfide, and their resulting ratio are usually considered as oxidative stress markers, it was found that in this study these markers are not in accordance with the specific markers of oxidative stress lipid peroxidation and DNA damage in the evaluation of the role of oxidative stress and TRS in sclerotial differentiation. Thus, the role of the thiol parameters of TRS in sclerotial differentiation is very complicated in light of the fact that they do not act only as direct antioxidants but also as substrates of the studied TRS-related enzymes. Finally, in all sclerotial types have been found high levels of intracellular thiol parameters of TRS and vitamin C as well as enzymes that participate to TRS regulation, implying that their possible role is to provide antioxidant protection of the hyphae of the sclerotial medulla until the environmental conditions become appropriate for their germination.

The low molecular weight (L.M.W.) thiol redox couple formed by γ-L-glutamyl-L-cysteinyl glycine, also called glutathione (reduced and oxidized), is present in most eukaryotes and a few species of bacteria. Glutathione plays a role in numerous cellular processes by providing a means of shuttling electrons to different enzymatic systems. As a result, thiol-dependent redox metabolic processes are highly coupled. Due to tight coupling of redox reactions, it is difficult to understand how changes in the concentration of glutathione would affect a specific glutathione-dependent process. Interestingly, only a small subset of bacteria encode the canonical enzyme for the biosynthesis of glutathione, namely γ-glutamyl cysteine synthetase (gshA gene product). The mechanisms by which glutathione-dependent processes are carried out in bacteria which do not have the genes for biosynthesis of glutathione or other L.M.W. thiols is not well understood. A genetic selection to restore a glutathione-dependent phenotype in E. coli, lacking the gene involved in first step of glutathione biosynthesis (gshA), was used to address how bacteria lacking gshA might substitute for glutathione. Genetic and biochemical analyses of the E. coli mutants isolated in the selection revealed a de novo pathway for biosynthesis of γ-glutamyl cysteine, the product formed normally by GshA. Additionally we found that the unnatural analogue of glutathione, γ-glutamyl homocysteine could also be formed by this pathway. Bioinformatic analysis suggested that bacteria lacking gshA may use these de novo pathways for biosynthesis of γ-glutamyl cysteine or γ-glutamyl homocysteine, which could serve as potential substitutes for glutathione. The engineering of de novo biosynthetic pathways for γ-glutamyl cysteine and γ-glutamyl homocysteine provided us a strategy for engineering a pathway for biosynthesis of another unnatural analogue of glutathione, β-aspartyl cysteine. Both γ-glutamyl homocysteine and β-aspartyl cysteine could potentially be used as orthologus redox couples in E. coli operating in parallel to glutathione to shuttle electrons to specific pathways which may thus be decoupled from glutathione availability. Glutathione-dependent enzymes that can use orthologous redox couples instead are biochemically isolated from network of other redox reactions in the cell and could be used to direct metabolic fluxes to specific pathways with high efficiencies. Towards this end, we show that glutathione transferase, a glutathione-dependent enzyme, can be engineered to use analogous thiols like γ-glutamyl cysteine as cofactors. / text

Η ηπατική εγκεφαλοπάθεια είναι ένα πολύπλοκο νευροψυχιατρικό σύνδρομο που έχει συσχετισθεί με οξείες και χρόνιες ηπατοπάθειες. Τα τελευταία χρόνια συσσωρεύονται πληροφορίες που εμπλέκουν το οξειδωτικό στρες (φορτίο) ως παράγοντα-κλειδί στην παθογένεση της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας σε μελέτες που χρησιμοποιούν ως μετρούμενους δείκτες την υπεροξείδωση λιπιδίων και το οξειδοαναγωγικό ζεύγος της γλουταθειόνης (GSH/GSSG). Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο πειραματικού αποφρακτικού ίκτερου με απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Αρσενικοί αρουραίοι χωρίστηκαν σε ομάδες ελέγχου, ψευδώς χειρουργημένων, και σε ομάδες απολίνωσης χοληδόχου πόρου που είτε θυσιάστηκαν την 5η ημέρα, είτε τη 10η ημέρα, ή τους χορηγήθηκαν αντιοξειδωτικοί παράγοντες (NAC, ALP, Vit-E). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η θειολική οξειδοαναγωγική κατάσταση στον εγκέφαλο των αρουραίων, και μάλιστα ανά περιοχές (εγκεφαλικός φλοιός, στέλεχος, παρεγκεφαλίδα), καθώς και η επίδραση των επιλεγμένων αντιοξειδωτικών παραγόντων σε αυτήν. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μια πιο αντιπροσωπευτική εκτίμηση του οξειδωτικού στρες, καθώς ποσοτικοποιήθηκαν συγκεκριμένοι δείκτες υψηλού (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, υπεροξείδια λιπιδίων) και χαμηλού (GSH, CSH, PSH) οξειδωτικού στρες. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν αύξηση των πρώτων και μείωση των τελευταίων σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές καταδεικνύοντας έτσι την παρουσία αυξημένου οξειδωτικού φορτίου στον αποφρακτικό ίκτερο. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι ότι κατέδειξε πρώιμα σημεία οξειδωτικού στρες στον εγκέφαλο ήδη από την 5η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Οι μεταβολές των βιοχημικών δεικτών, και αυτό αφορά σε όλους τους δείκτες και σε όλες τις εγκεφαλικές περιοχές, αρχίζουν να φαίνονται από την 5η ημέρα και γίνονται στατιστικά σημαντικές τη 10η ημέρα από την απολίνωση του χοληδόχου πόρου. Διαπιστώσαμε επιπλέον ότι η GSH είχε περίπου διπλάσιες τιμές στον εγκεφαλικό φλοιό από ό, τι στο στέλεχος και την παρεγκεφαλίδα, και ότι στο στέλεχος παρατηρήθηκε μια δραματική αύξηση των επιπέδων των NPSSR τη 10η ημέρα μετά την απολίνωση του χοληδόχου πόρου, τα οποία όμως παρέμειναν χαμηλά στις άλλες δύο περιοχές. Καθώς είναι γνωστό πως το οξειδωτικό στρες έχει ενοχοποιηθεί στην παθογένεση διαφόρων νευροεκφυλιστικών παθήσεων στον άνθρωπο, τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να συσχετισθούν με διαφορές στη φυσιολογία και τη βιοχημεία των περιοχών αυτών και ενδεχομένως να σχετίζονται με τον τρόπο που το οξειδωτικό στρες εκφράζεται στην παθοφυσιολογία και άλλων νοσολογικών καταστάσεων όπως η πλάγια αμυοτροφική σκλήρυνση, η νόσος Parkinson, και η νόσος Alzheimer. Έχει ενδιαφέρον το γεγονός ότι τα βασικά γάγγλια και οι πυρήνες του στελέχους είναι θέσεις εκλεκτικής βλάβης στην εγκεφαλοπάθεια από χολερυθρίνη στο νεογνικό ίκτερο. Στη δεύτερη πειραματική φάση, στους ικτερικούς αρουραίους χορηγήσαμε αντιοξειδωτικούς παράγοντες, που έχουν επανειλημμένα μελετηθεί τόσο in vitro όσο και σε ζωικά μοντέλα, σε μια προσπάθεια να αναστρέψουμε τις διαταραχές που είχαν παρατηρηθεί. Ένα πρώτο εύρημα ήταν η ευεργετική δράση στην υπεροξείδωση των λιπιδίων, που ποσοτικοποιήθηκε με τον υπολογισμό της MDA, στις ομάδες και των τριών αντιοξειδωτών αλλά κυρίως στις ALP και Vit-E. Και στις τρεις ομάδες που έλαβαν αντιοξειδωτικά, αντίθετα με την ομάδα απολίνωσης χοληδόχου πόρου, δεν παρατηρήθηκε εξάντληση του συνολικού κυτταρικού περιεχόμενου γλουταθειόνης. Επιπλέον, και στις τρεις ομάδες αντιοξειδωτικών δεν παρατηρήθηκε αύξηση των NPSSR στο εγκεφαλικό στέλεχος, γεγονός που υποδηλώνει ότι η συσσώρευση των μη-πρωτεϊνικών δισουλφιδίων στο στέλεχος εμποδίστηκε από τους αντιοξειδωτικούς παράγοντες. Η ανισορροπία των πρωτεϊνικών θειολών, όπως αυτή φάνηκε από τη μείωση της PSH και την αύξηση του PSSP, αναστράφηκε σημαντικά μόνο στην ομάδα NAC στην οποία η PSH αυξήθηκε στα φυσιολογικά επίπεδα. Εν συντομία, η παρούσα μελέτη είναι η πρώτη που καταδεικνύει με σαφήνεια το οξειδωτικό στρες στον εγκέφαλο στο μοντέλο του αποφρακτικού ίκτερου και μάλιστα αρκετά πρώιμα. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία βιοχημικών δεικτών που περιγράφουν την θειολική αναγωγική κατάσταση και την υπεροξείδωση των λιπιδίων και μελετά τις ευεργετικές επιδράσεις γνωστών αντιοξειδωτικών παραγόντων στον πειραματικό αποφρακτικό ίκτερο. Τα αποτελέσματά της θα μπορούσαν να προσφέρουν κάποια βοήθεια στην κατανόηση ορισμένων μηχανισμών της ηπατικής εγκεφαλοπάθειας στους ανθρώπους. Μελλοντικές έρευνες θα απαντήσουν ερωτήματα σχετικά με τα γενεσιουργά αίτια του οξειδωτικού στρες, την ίδια την παρουσία των ελευθέρων ριζών και την παθοφυσιολογία του φαινομένου. / Hepatic encephalopathy is a complex neuropsychiatric syndrome that has been associated with acute and chronic liver diseases. Accumulated evidence over the last several years has implicated oxidative stress a key factor in the pathogenesis of hepatic encephalopathy. These studies utilize measurements of lipid peroxidation products and glutathione (GSH) and its oxidized disulfide GSSG. A model of experimental obstructive jaundice after ligation of the biliary duct has been used in the present study. Male Wistar rats were divided into control, sham operated and bile duct ligated groups that were sacrificed either on the 5th or the 10th day, or they have been treated with antioxidant agents (NAC, ALP, Vit-E). Subsequently, the thiol redox state of various areas (cortex, midbrain and cerebellum) of the rat brain and the effect of selected antioxidants were studied. For the first time specific markers of high oxidative stress (GSSG, NPSSR, NPSSC, PSSR, PSSC, PSSP, lipid peroxides) and low oxidative stress (GSH, CSH, PSH) were quantified providing a more detailed assessment of the phenomenon. Our results show increase in the first and decrease in the latter group of markers in all studied brain areas, therefore demonstrating high oxidative stress in the obstructive jaundice. The major impact of the present study is the demonstration of early signs of oxidative stress in the brain. Using this battery of biochemical markers, deviations from control and sham animals occurred as early as 5 days following bile duct ligation; by the 10th day the majority of these changes became statistically significant. It was also observed that GSH values in cerebral cortex were twice as high as those in midbrain and cerebellum and a dramatic increase in the levels of NPSSR on the 10th day after bile duct ligation in midbrain that was not observed in the other brain areas. These findings could be attributed to specificities of metabolic or biochemical status of neurons and astrocytes and alterations of blood-brain barrier permeability in different brain areas and probably should be taken into account in further studies, since, as we know, oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of many human diseases like Parkinson’s , Alzheimer’s and Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). It is of interest that basal ganglia and brainstem nuclei are, as well, the sites of selective damage in bilirubin encephalopathy in jaundiced neonates. Jaundiced rats were treated with agents that have frequently been used in vitro and in vivo for their antioxidant effects, in an effort to reverse the observed alterations in redox state. In the treated groups, there was no decrease in the total cell glutathione content unlike the bile duct ligated rats. There was also no significant difference in the levels of lipid peroxidation as compared with control and sham groups. The imbalance of protein thiols demonstrated by the decrease of PSH and the increase of PSSP was considerably reversed only in the NAC group. In all treated groups, no NPSSR increase was found suggesting that the antioxidant agents suppressed the accumulation of non-protein disulfides in the midbrain. In brief, this experimental study demonstrates the oxidative profile of the brain associated with obstructive jaundice at an early and later stage. A battery of biochemical markers that define the thiol redox state is utilized and the beneficial effects of known antioxidants are examined. The evidence presented supports the concept that oxidative stress is neither a uniform matter affecting brain in a general way nor that any antioxidant agent could prevent damage by enhancing equally well different defence system. It is also likely that oxidative stress is one of the important mechanisms of jaundice-induced encephalopathy. Further studies could provide with more evidence on the pathogenetic mechanisms and generative causes of the oxidative stress in obstructive jaundice.