Please read the abstract in the section 02back of this document / Thesis (DVSc)--University of Pretoria, 2010. / Surgery / unrestricted

L’ostéoporose touche principalement les femmes après la ménopause, c’est une maladie caractérisée par une détérioration de la minéralisation et de la micro-architecture de l’os. L’objectif du travail de thèse présenté ici est d’identifier une fraction protéique laitière ayant un effet stimulant sur la formation osseuse. Une telle fraction, ajoutée dans un produit ou un complément alimentaire, pourrait contribuer à réduire la perte osseuse. La première étape du projet consiste à produire les fractions laitières. Des protéines laitières (caséine ou protéines sériques) ont été digérées par des enzymes puis filtrées pour les fractionner selon leur poids moléculaire. Les fractions obtenues ont ensuite été testées sur des cultures primaires de cellules osseuses. Certaines fractions protéiques laitières ont augmenté la prolifération et la différenciation des ostéoblastes. Parmi ces fractions actives, la fraction correspondant au rétentat d’une filtration sur un filtre à 10kDa d’un hydrolysat de caséine par de la chymotrypsine a été sélectionnée pour être testée sur animaux. Cette fraction a été nommée fraction CR10. Pour étudier l’activité du CR10 in vivo sur le métabolisme osseux, un modèle de souris sous restriction protéique est mis au point. Nos études démontrent que, lorsque le régime est basé sur des protéines de soja, le passage d’un régime contenant 20% de protéines à un régime contenant 6% de protéines induit une réduction de la formation osseuse. Le traitement des souris sous restriction protéique avec du CR10 n’a eu aucun effet, ce qui signifie que le CR10 n’arrive pas à exercer son activité anabolique in vivo. En revanche, si de la caséine est donnée à la place du soja ou si de la PTH est injectée aux souris, la formation osseuse est augmentée. Ces résultats suggèrent que la fraction CR10 n’est pas un bon candidat comme fraction anabolique. En revanche, l’effet positif de la caséine par rapport au soja pourrait être exploité lors de futures études visant à mettre au point une fraction caséique ostéoanabolique. / Osteoporosis is a disease mainly affecting women after menopause, characterized by a reduced bone mineralization and a deterioration of bone micro-architecture. The aim of this thesis is to identify a milk protein fraction able to stimulate bone formation. When added to a food product, this fraction could reduce bone loss. The first task of this project was to produce the milk protein fractions. Milk proteins (casein or whey proteins) were digested by enzymes and fractionated by filtration according to their molecular weight. The fractions obtained were then tested on primary cultures of bone cells. Some of the milk protein fractions tested were able to increase proliferation and differentiation of osteoblasts. Among these active fractions, the one obtained by digestion of casein by chymotrypsin followed by filtration through a 10 kDa filter have been selected to be tested on animals. This fraction is named CR10. To study the activity of CR10 in vivo, a protein-restricted mouse model has been developed. Our studies showed that a reduction of protein in the diet from 20% to 6% impaired bone formation when the diet was based on soy protein. When these protein-restricted mice ingested the CR10 fraction, no improvement of the BMD was reported, which means that the CR10 cannot exert its anabolic activity in vivo. However, if casein is given instead of soy or if PTH is injected to the mice, bone formation is increased. These results suggest that the CR10 is not a good candidate as an anabolic fraction. However, the positive effect of casein compared to soy could be exploited in future studies aimed at finding an osteoanabolic casein fraction.

Este trabalho consiste num estudo abrangente do sistema digestivo de espécies representativas da ordem Hemiptera, no qual dados de caráter morfológico foram integrados a informações bioquímicas e moleculares acerca das principais proteínas atuantes no processo digestivo destes animais. Para tanto, este projeto utilizou, como referência básica, um estudo prévio realizado com a espécie Bucephalogonia xanthophis (Hemiptera: Cicadellidae). As análises morfológicas desenvolvidas neste trabalho consistiram em um estudo comparativo ultraestrutural das espécies sugadoras de seiva Macugonalia leucomelas (subordem Auchenorrhyncha, Cicadellidae), Dalbulus maidis (subordem Auchenorrhyncha, Cicadellidae), Mahanarva fimbriolata (subordem Auchenorrhyncha, Cercopidae), Quesada gigas (subfamília Auchenorrhyncha, Cicadidae) e Diaphorina citri (subordem Sternorrhyncha, Psyllidae). Já a vertente molecular deste estudo buscou identificar, caracterizar e determinar a distribuição de transportadores de membrana, enzimas digestivas e outras proteínas atuantes no processo digestivo da espécie B. xanthophis. De um modo geral, as espécies da infraordem Cicadomorpha M. leucomelas, D. maidis, M. fimbriolata e Q. gigas apresentam uma organização anatômica do sistema digestivo muito semelhante ao descrito previamente para a cigarrinha B. xanthophis. Um esôfago conecta a boca ao intestino médio, que tem início na câmara de filtração (CF), que é composta pela aposição das porções anterior e posterior do intestino médio com as regiões proximais dos túbulos de Malpighi. Este órgão permite a excreção do excesso de água presente na seiva, permitindo a concentração dos nutrientes na porção mediana do intestino médio. O sistema digestivo segue por duas regiões anatomicamente distintas: o domínio cônico (DC) e o tubular (DT) do intestino médio. O intestino posterior é observado como um longo tubo livre pela hemocela a apresenta um reto dilatado, terminando em um ânus. De um modo geral, as espécies da família Cicadellidae (M. leucomelas e D. maidis) apresentam uma CF anatomicamente menos complexa do que se observa em M. fimbriolata e Q. gigas. Diferentemente das espécies da infraordem Cicadomorpha, o psilídeo D. citri exibe um sistema digestivo com uma CF relativamente ainda mais simples, sem a presença de túbulos de Malpighi. O intestino médio desta espécie também possui dois domínios distintos, mas apresentam caracteristicamente quatro apêndices de fundo cego que se projetam a partir do DT, cuja função ainda é desconhecida. Do ponto de vista ultraestrutural, as células da CF das espécies analisadas exibem adaptações relacionadas ao transporte de água e íons através da membrana, como microvilosidades apicais e invaginações da membrana plasmática basal associadas à mitocôndrias. As células da CF de D. citri possuem uma maior quantidade de organelas citoplasmáticas quando comparadas às espécies da infraordem Cicadomorpha., sugerindo uma menor atividade no processo digestivo Os enterócitos, principal tipo celular encontrado no DC e DT, exibem, em todas as espécies analisadas, microvilosidades apicais, invaginações da membrana plasmática basal associada a mitocôndrias e organelas associadas à rota intracelular de secreção. No caso particular de D. citri, as microvilosidades se mostram modificadas na forma de uma rede de lamelas, reforçadas entre si por trabéculas. Um complexo luminal de membranas pode ser observado associado às microvilosidades dos enterócitos de todas as espécies estudadas neste trabalho. Nas espécies da subordem Auchenorrhyncha, este complexo de membranas apresenta uma organização semelhante às membranas luminais em forma de chama (MLC). Este complexo se origina a partir de constrições do ápice das microvilosidades, que formam membranas que se projetam ao lúmen do intestino médio, delimitando compartimentos de acesso restrito. Por outro lado, na espécie D. citri, o complexo luminal de membranas observado é semelhante às membranas perimicrovilares modificadas (MPMm), descritos previamente em afídeos, que não forma compartimentos fechados. Os resultados apresentados neste trabalho, aliados às informações disponíveis na literatura, indicam que a organização do complexo luminal de membranas nos insetos da ordem Hemiptera é bem mais diversificada do que se presumia anteriormente, o que coloca em dúvida a visão tradicional sobre a origem evolutiva desse complexo. A compartimentalização do processo digestivo aparentemente deixou de existir no ancestral do grupo Paraneoptera, com a perda da membrana peritrófica. No entanto, o complexo luminal de membranas presente no lúmen do intestino médio de Hemiptera e Thysanoptera pode ter surgido ao longo da evolução desses grupos como um mecanismo alternativo que promova algum nível de compartimentalização da digestão. A análise do transcriptoma do intestino médio de B. xanthophis possibilitou a identificação de uma série de transportadores de nutrientes orgânicos, inorgânicos e água. A partir destes dados, foi criado um modelo para a absorção de aminoácidos baseado num cotransporte de H+ e aminoácidos através de toda a extensão do epitélio intestinal, que utiliza a energia de um gradiente eletroquímico de prótons, bombeados para o meio extracelular por V-ATPases. Tal modelo contrasta com o preconizado na literatura, que tem por base um cotransporte de aminoácidos com potássio. Os dados obtidos pelo transcriptoma também permitiram a identificação de transportadores de açúcar ao longo do intestino médio de B. xanthophis. Os açúcares absorvidos, provavelmente na forma de glicose, devem ser convertidos em trealose no citossol dos enterócitos antes de serem transportados para a hemolinfa. Os resultados apresentados neste trabalho também indicam a ocorrência de α-glicosidase no intestino médio de B. xanthophis, além de indícios de sua associação com as MLC. No entanto, sua função no processo digestivo desta espécie ainda não é conhecida. A identificação de proteinases digestivas ao longo de todo o intestino médio de B. xanthophis, principalmente catepsinas e quimotripsinas, foi surpreendente, considerando-se que sua dieta não apresenta proteínas em sua composição. Assim, estudos complementares são necessários para se averiguar a real função destas enzimas no processo digestivo desta cigarrinha. A análise molecular realizada neste trabalho permitiu uma melhor compreensão acerca do processo digestivo da espécie sugadora de xilema B. xanthophis. Os resultados obtidos sugerem a presença de diferenças funcionais significativas entre as diversas regiões do intestino médio que não se refletem na ultraestrutura dos enterócitos. A identificação de proteinases e transportadores de aminoácidos e açúcares na CF sugere que este órgão possua uma função bem mais abrangente no processo digestivo, indo além do transporte de água e concentração de nutrientes / This work presents a comprehensive study of the digestive system of representative species of the order Hemiptera, where morphological, biochemical, and molecular data are integrated for a better understanding of the digestive process occurring in these insects. This project is based on a previous study about the digestive system of the leafhopper Bucephalogonia xanthophis (Hemiptera: Cicadellidae). A comparative ultrastructural study is presented with the sap-sucking species Macugonalia leucomelas (suborder Auchenorrhyncha, Cicadellidae), Dalbulus maidis (suborder Auchenorrhyncha, Cicadellidae), Mahanarva fimbriolata (suborder Auchenorrhyncha, Cercopidae), Quesada gigas (suborder Auchenorrhyncha, Cicadidae), and Diaphorina citri (suborder Sternorrhyncha, Psyllidae). Moreover, a molecular analysis was performed regarding the identification, characterization, and distribution of significant proteins associated with the digestive process in B. xanthophis. The digestive system of the cicadomorphan species M. leucomelas, D. maidis, M fimbriolata, and Q. gigas is very similar to the one previosly described for the leafhopper B. xanthophis. The foregut is made up of a simple tube, the esophagus. The midgut starts at the filter chamber (FC) and progresses to a more posterior conical (CDM) and tubular regions (TDM). The FC is formed by the apposition between the anterior and posterior midgut, along withe the proximal segmentos of the Malpighian tubules, allowing the concentration of the nutrients in the middle midgut. The hindgut is formed by a long tube which presents a dilated rectum before ending in the anus. The FC of M. leucomelas and D. maidis are anatomically less complex than the observed in M. fimbriolata and Q. gigas. Unlike the cicadomorphan species, the CF of D. citri shows an even more simplified organization, lacking the Malpighian tubules. Although two domains of the midgut can be observed in the psyllid, four appendages with unknown function are identified projecting from the TDM. The FC cells of all studied species present ultrastructural adaptations related to the transport of ions and water, such as apical surfaces modified into microvilli, basal plasma membrane presenting several invaginations with associated mitochondria. However, the FC cells from D. citri exhibit more organelles compared to the cicadomorphan species, suggesting that its role in the digestive process is less relevant. The CDM and TDM regions are mainly formed by enterocytes, which shows, in all species, apical microvilli, basal plasma membrane infoldings with associated mitochondria and other organelles related to the secretory pathway. The microvilli of D. citri enterocytes form a complex network of lamellae, which are associated with one another through trabecullae. A luminal membrane complex can be observed associated with the microvillar tips of the enterocytes in all analysed species. The ones from the Auchenorrhyncha infraorder exhibit a membrane complex organization similar to the flame-like membrane complex. Such complex originates from constrictions of the microvillar apex which form membranes that project into the midgut lumen, delimitating restricted access compartments. Alternatively, the luminal membrane complex observed in D. citri is similar to the modified perimicrovillar membranes, previously described in aphids, which does not form closed compartments. The results presented in this work, along with available data in the literature, indicate that the organization of the digestive system in Hemipteran insects is more diverse than previously presumed, what makes the traditional view on the evolutionary origin of this complex questionable. The compartmentalization of the digestive process was apparently lost in the Paraneoptera ancestor, allied to the loss of the peritrophic membrane. However, the luminal membrane complex in the midgut lumen of Hemiptera and Thysanoptera would have evolved as an alternate mechanism promoting some degree of compartmentalization of the digestive process. The analysis of the transcriptome of B. xanthophis midgut allowed the identification of a series of organic, inorganic, and water transporters, leading to the proposal of an amino acid absorption model, based on a cotransport of H+ and amino acid. In this model, the active transport of amino acids occurs throughout the midgut and it is powered by an electrochemical gradient of protons, formed by a V-ATPase. This model is based on a different mechanism as the one proposed in the literature, which consists on a cotransport of potassium ions and amino acids. The transcriptome analysis also allowed the identification of sugar transporters along the midgut of B. xanthophis. Glucose is probably the main monosaccharide absorbed by the enterocytes, which are then converted into trehalose before being transported to the hemolymph. The results presented in this work still indicate the occurrence of α-glucosidase in the B. xanthophis midgut and show evidences of its association with the flame-like luminal membranes. However, the function of this enzyme in the digestive process of this species has yet to be discovered. The identification of digestive proteinases along the midgut of B. xanthophis, specially cathepsins and chymotrypsins, was surprising, considering that there are no proteins in xylem composition. Therefore, more studies are needed to verify the real function of those enzymes in the digestive process of this leafhopper. The molecular analysis performed in this work led to a better understanding of the digestive process in the xylem-sucker leafhopper B. xanthophis. Apparently, the detected functional differences among the midgut regions do not reflect on the enterocytes ultrastructure. The identification of proteinases and amino acid and sugar transporters in the FC suggests that this organ has a more general role in the digestive process besides the water transport and nutrient concentration

Este trabalho consiste em um estudo detalhado do sistema digestivo de Phibalosoma phyllinum (Phasmida, Phasmatidae) num enfoque morfofuncional. Do ponto de vista anatômico, o seu sistema digestivo é constituído por um intestino anterior, um intestino médio e um intestino posterior. O intestino anterior é composto por uma cavidade bucal (onde se abre o ducto da glândula salivar bilobada), uma faringe, que se continua para o esôfago, terminando em um proventrículo, que forma uma válvula em seu interior. O intestino médio é formado por um ventrículo tubular, dividido em três regiões: ventrículo anterior (VA), ventrículo médio (VM) e ventrículo posterior (VP). Este último foi, ainda, subdividido em proximal (VPI) e distal (VPII). Na região do VPI, foi constatada a presença de estruturas denominadas de apêndices ventriculares, formadas por protuberâncias, que se inserem no tubo digestivo, e canalículos, que se projetam da região apical de cada uma delas e terminam em fundo cego. O intestino posterior é dividido em um íleo e um reto que termina no ânus. A análise histológica mostrou que o intestino anterior é formado por um epitélio simples, composto por células pavimentosas, revestido por uma cutícula, que se modifica na forma de pequenas espículas ao longo desta região. O proventriculo é composto por uma válvula muscular simples, que separa o intestino anterior e o intestino médio. Este último é formado por um epitélio simples, constituído por células do tipo colunar, chamadas de enterócitos, principais responsáveis pela secreção de enzimas digestivas e pela absorção dos nutrientes, por células regenerativas, que se apresentam reunidas em ninhos na base do epitélio, e por células endócrinas. Os apêndices ventriculares, por sua vez, possuem um epitélio simples e contínuo com o epitélio ventricular. As células das protuberâncias apresentam-se grandes e arredondadas, enquanto que os canalículos são compostos por um epitélio de células achatadas, semelhante ao dos túbulos de Malpighi. Na região de transição entre o epitélio ventricular e o intestino posterior se inserem os túbulos de Malpighi. O epitélio do intestino posterior é do tipo cúbico, simples, revestido por cutícula. A luz do intestino médio (ou ventrículo) é revestida por uma estrutura tubular, denominada de membrana peritrófica, cuja existência foi comprovada por microscopia de fluorescência com a utilização da técnica WGA-FITC (aglutinina do gérmen do trigo conjugada à fluoresceína). Com a finalidade de identificar regiões específicas do ventrículo onde ocorre a absorção ou secreção de água através do epitélio, foram realizados experimentos fisiológicos de ingestão e injeção do corante amaranto em solução. Verificou-se que, quando o corante é ingerido pelos insetos, o VA apresenta-se corado, tanto em animais em jejum quanto alimentados, indicando ser este o possível sítio de absorção de água no ventrículo. Por sua vez, a partir de experimentos com a injeção do mesmo corante na hemolinfa, foi constatada a sua tomada pelos túbulos de Malpighi, indicando serem estes os principais sítios de tomada de água da hemolinfa e de sua secreção para a luz do tubo digestivo. Tanto em animais em jejum, quanto alimentados, o corante injetado é encontrado na luz do intestino posterior. Entretanto, nos animais em jejum, o corante é capaz de se difundir, também, pelo ventrículo até a sua região anterior. A análise ultraestrutural do intestino médio revelou que a superfície apical dos enterócitos constituintes apresenta-se modificada na forma de microvilosidades. Nas membranas laterais, observam-se especializações juncionais na forma de desmossomos apicais, seguidos por junções septadas lisas. A membrana plasmática basal, por sua vez, exibe diversas invaginações, formando uma rede complexa de canais com mitocôndrias associadas. Nas células do VA e VM, essa rede exibe um número limitado de aberturas para a lâmina basal, o que indica um maior potencial de absorção de água pelo epitélio ventricular, a partir de sua luz. Nas células da região do VP, o número de aberturas é bem maior, o que sugere que pode ocorrer secreção de água e íons através desta região, não detectável nos experimentos com corantes. Por outro lado, as células regenerativas exibem características típicas de células indiferenciadas, com núcleo grande e poucas organelas. Células endócrinas, por sua vez, são, eventualmente, detectadas na base do epitélio, sem se prolongarem até a superfície apical do epitélio. Foi observado, ainda, que tanto os canalículos ventriculares, quanto os túbulos de Malpighi são formados por células achatadas, com microvilosidades apicais modificadas portando mitocôndrias em seu interior e membrana plasmática basal formando um labirinto complexo, com muitas aberturas para a lâmina basal e com muitas mitocôndrias associadas. Com relação a atividade secretora do epitélio ventricular, verifica-se a existência de grandes quantidades de retículo endoplasmático rugoso e diversas áreas de Golgi concentradas, principalmente, no citoplasma perinuclear. Nas regiões VA e VM, é detectado um grande número de vesículas secretoras, cujo mecanismo de secreção parece ser o merócrino. Ao longo de todo VP, por outro lado, vesículas secretoras estão, aparentemente, ausentes no citoplasma apical, mas pode ser constatada a presença de dilatações nas microvilosidades, algumas das quais apresentem pequenas vesículas em seu interior. Esta observação é sugestiva da ocorrência de secreção do tipo microapócrina nesta região. Devem ocorrer, portanto, dois mecanismos de secreção diferentes ao longo do ventrículo de P. phyllinum: o merócrino (no VA e no VM) e o microapócrino (no VP) O local de produção e secreção das enzimas amilase e tripsina pôde ser localizado através de experimentos de imunomarcação ultraestrutural com a utilização de anticorpos heterólogos. Ambas as enzimas foram detectadas na região do VA e do VM, podendo ser traçadas nas áreas de Golgi, nas vesículas secretoras e na luz do epitélio, junto às microvilosidades, seguindo, pois, a rota secretora. Ambas as enzimas foram identificadas no interior do mesmo tipo de vesículas de secreção, indicando que devem ser eliminadas conjuntamente através da mesma via secretora. Medidas de pH luminal revelaram grandes diferenças de pH ao longo do tubo digestivo nesta espécie. Enquanto que na região anterior o pH é mais ácido (5,3 no intestino anterior e 5,6 no VA), ele vai se tornando mais alcalino nas regiões mais posteriores do ventrículo (6,3 no VM anterior, 8,0 no VM posterior, 9,1 no VPI e 8,5 no VPII) e é neutro no intestino posterior (7,3). Foi determinado, ainda, o efeito do pH sobre a atividade das enzimas tripsina e amilase. A maior atividade para tripsina foi observada no pH 9,0. Já para amilase, a maior atividade foi observada em pH 5,0. No que diz respeito a atividade de enzimas digestivas, ficou evidente que a atividade de amilase e tripsina se concentra no conteúdo do intestino anterior e VA. / This work presents a detailed morphofunctional study of the digestive system of Phibalosoma phyllinum (Phasmida, Phasmatidae). From an anatomical point of view, the digestive system of this insect is formed by a foregut, a midgut and a hindgut. The foregut is composed by the buccal cavity (where the salivary gland\'s duct open), a pharynx and an aesophagus that ends in the proventriculus. The midgut consists of a tubular ventriculus and it can be divided in three regions: the anterior ventriculus (AV), the middle ventriculus (MV), and the posterior ventriculus (PV) which can be further subdivided in its proximal (PVI), and distal (PVII) sub-regions. The presence of a complex system of ventricular appendices was observed in the PVI sub-region, which are formed by protuberances, in the external ventricular surface, and by blind-ended canaliculi, which are connected to the protuberances. The hindgut is divided into an ileum and a rectum that ends in the anus. Seen by light microscopy, the foregut is made up by a simple epithelium, which is composed of squamous cells and covered by a cuticle layer. Through the whole foregut the cuticle forms spines. The proventriculus is formed by a simple muscular valve that separates the foregut from the midgut. The midgut itself is formed by a simple epithelium, which is made up of three different cell types: columnar cells (enterocytes), which are the main site of enzyme production and secretion, and nutrient absorption, the regenerative cells, which are clustered in nidi at the basal portion of the epithelium, and the endocrine cells. The ventricular appendices, in turn, are formed by a simple epithelium that is continuous with the ventricular epithelium. Cells from the protuberances are large showing a round shape, while canalicular cells are short, and very similar to the ones presented in the Malpighian tubules. In the transition between the midgut and the hindgut, several Malpighian tubes branch off. The hindgut is formed by a simple epithelium, lined by cuticle. The ventricular lumen is covered by a tubular structure called peritrophic membrane whose presence was confirmed by fluorescence microscopy, using chitin-binding lectin WGA (wheat germ agglutinin) coupled with FITC (fluorescein isothiocyanate). In order to identify specific ventricular regions where water absorption and secretion through the epithelium take place, physiological experiments, using amaranth dye solution were performed. This solution was either orally administered, or injected in the hemolinph of both fed and starved insects. These experiments revealed that, both in fed and starved animals, the AV is the main site of water absorption, whereas the Malpighian tubules are the main sites of water secretion into the ventricular lumen. Ultrastructural analysis showed that enterocytes present an apical surface modified into well-developed microvilli. In their lateral surface, the adjacent plasma membranes are linked by desmosomes and smooth septate junctions. The basal plasma membrane shows several infoldings, forming a labyrinth of channels with associated mitochondria. In the AV and MV, these infoldings present a limited number of openings to the basal lamina, which indicates a greater water absorption potential of these regions from the gut lumen. In the PV cells, the number of openings is greater, indicating that these regions may be involved in water secretion (although occurring in levels that are undetectable through dye experiments). Regenerative cells nidi, in turn, can be observed in the basal portion of the epithelium throughout the midgut. This cell type shows characteristics of undifferentiated cells, such as large nuclei and few organelles. Endocrine cells are confined to the basal portion of the epithelium. Both the ventricular canaliculi and the Malpighian tubules are made up by cuboidal cells with modified apical microvilli bearing mitochondria in their interior, and basal plasma membrane forming a labirinth with many well developed infolds and openings to the basal lamina, as well as many associated mitochondria. An intense secretory activity was observed along the entire midgut. Large amounts of rough endoplasmic reticulum, well developed Golgi areas were observed in the enterocytes. In the AV and MV a large number of secretory vesicles could be observed concentrated in the apical portion of the cells, and their contents are probably eliminated by a merocrine mechanism. Along the PV, secretory vesicles are apparently absent but microvilli display dilated tips frequently showing small vesicles in their interior. This observation may indicate the occurrence of a microapocrine secretory mechanism in this ventricular region. The enzymes amylase and trypsin were immunolocalized in the cells from the AV and MV. In these regions, the two enzymes were detected in Golgi areas, secretory vesicles and in the the ventricular lumen, between the microvilli. Thus, both enzymes seem to be produced and eliminated through the same secretory pathway. Luminal pH measurements revealed a great variation of the pH along the intestine of this species. While in its anterior region the pH is acid (5,3 in the foregut and 5,6 in the AV), it becomes gradually alkaline towards the posterior regions (6,3 in the anterior MV, 8,0 in the posterior MV, 9,1 in the PVI and 8,5 in the PVII); in the hindgut the pH is neutral (7,3). The effect of the pH on amylase and trypsin activities was also measured. It was determined that trypsin\'s optimal pH was 9,0, and amylase\'s optimal pH was 5,0. Biochemical assays of digestive enzymes revealed the presence of amylase and trypsin in the luminal contents, mainly in the foregut and AV. In spite of that, it is possible that trypsin\'s activity is greater in the MV and PV, where the alkaline luminal pH matches the optimal pH for this enzyme. Chymotrypsin is also present in the lumen of the foregut and AV, but, unlike amylase and trypsin, its major activity is found in the AV. Aminopeptidase is found in the ventricular epithelium, mainly in the MV and PV, and maltase is detected associated with the microvillar glicocalix in the AV and PV regions. The hindgut showed low levels of digestive enzyme excretion, both in fed and starved animals, suggesting that these enzymes are recovered during the digestive process. Thus, these results point to the occurrence of an endo-ectoperitrophic circulation of digestive enzymes in both fed and starved animals, in which the AV is the main absorption site of water and the Malpighian tubules, the main secretion site. Initial carbohydrates digestion should occur in the foregut and in the AV, in the endoperitrophic space, whereas its final digestion should take place in the epithelial surface. Protein digestion should take place in the MV and in the PV; initial digestion should occur in the luminal endoperitrophic space, whereas final digestion takes place in the epithelial surface of these regions. Carbonic anhydrase assays revealed a high activity of this enzyme in the ventricular appendices. This fact, along with the morphological similarity between ventricular canaliculi and Malpighian tubules suggest that the canaliculi and the Malpighian tubules are homologous structures. Along the evolutionary process, the canaliculi probably acquired the capability to promote the alkalization of the PV lumen (mainly in the PVI region) thus affecting the digestive process

Serina endopeptidases de insetos, principalmente tripsinas e quimotripsinas, estão envolvidas na digestão inicial de proteínas. Genes codificadores para estas enzimas estão organizados em famílias multigênicas tendo expressão diferencial de acordo com a dieta do inseto, estando envolvidos no desenvolvimento de resistência a diferentes metabólitos secundários vegetais. Para uma melhor compreensão desta interação, fez-se necessário o isolamento destas enzimas para insetos de diferentes ordens, bem como a caracterização de suas especificidades por duas abordagens: (a) caracterização cinética dos subsítios componentes do sítio de ligação de tripsinas e quimotripsinas, utilizando diferentes substratos, modificadores químicos e inibidores e (b) estudos estruturais por modelagem molecular, clonagem, expressão e cristalização destas enzimas de insetos. Além disso, estudos evolutivos por análise de distância possibilitaram uma caracterização inicial da interação insetoplanta. Estas determinações permitiram verificar que tripsinas de insetos apresentam diferenças de especificidade tanto dentre as diferentes ordens de insetos quanto em relação às tripsinas de vertebrados, sendo que as tripsinas da ordem Lepidóptera apresentam troca de especificidade primária hidrolisando preferencialmente substratos P1 Lys. Foram também observadas diferenças de hidrofobicidade para os subsítios caracterizados sendo que estes apresentam hidrofobicidades crescentes segundo o grau de complexidade dos insetos na sua escala evolutiva. A troca de especificidade e o aumento da hidrofobicidade podem permitir a hidrólise dos inibidores vegetais protéicos. A análise das sequências de tripsinas de insetos por Neighbor Joining (NJ) compõe uma árvore de distâncias topologicamente semelhante à árvore de relações filogenéticas determinadas por morfologia. A sobreposição de estruturas pré -determinadas de tripsina complexada a diferentes inibidores permite a identificação de posições de interação enzima-inibidor que justificam a classificação em grupos distintos de enzimas sensíveis ou resistentes a presença de inibidores na dieta de insetos. Da mesma forma: a caracterização da especificidade das quimotripsinas de insetos permitiu a separação de grupos distintos de quimotripsinas. Estes grupos são sustentados pela substituição do resíduo 59 em insetos polífagos que alimentam-se de plantas que contêm cetonas naturais reativas. Estas caracterizações demonstram a importância de um estudo detalhado da especificidade de serina endopeptidases possibilitando o desenho de moléculas apropriadas para inibição destas e desenvolvimento de estratégias de controle de insetos. / Insect serine endopeptidases, mairily trypsin and chymotrypsin are involved in initial protein digestion. Genes that encode these proteins are members of complex multigene families and are differentially expressed according to insects diet , thus being involved with resistance to plant metabolites. Purification of trypsins from different insect orders and chymotrypsins, as well as, characterization of their specificity are essential to a better understanding of this interaction. Characterization relied on two approaches: (a) kinetic characterization of the binding subsities of trypsins and chymotrypsins using different substrates, chemical modification and inhibition assays and (b) study of protein structure by molecular modelling and cloning, expression and crystallization of these enzymes. Besides that, evolutionary studies performed through distance analysis, permitted the investigation of plantinsect interaction. These characterizations showed that insect trypsins, in terms of specificity, are quite different from vertebrate trypsins and among insect orders. Lepidopterans trypsins have a distinct primary specificity, since they hydrolyses preferentially P1 Lys substrates, and present a crescent subsite hydrophobicity, which is directly correlated with the evolutionary scale. Both, the specificity exchange and the crescent hydrophobicity can allow the hydrolysis of vegetal proteic inhibitors. The analysis of trypsin sequences in Neighbor-Joining (NJ) algorithm yield a distance tree that is coherent with morphological phylogenetic relationships. The superposition of predicted structures of trypsins-inhibitors complexes permits to observe amino acid residues of interaction between enzyme-inhibitor, which support the distinction of different groups between sensitive and insensitive trypsins to the presence of inhibitors on insect diet. Similarly, characterization of insect chymotrypsins according to their specificity allowed us to classify these enzymes into different groups. These groups are supported by residue 59 replacements in polyphagous insects, which feed on plants bearing natural reactive ketones. These studies show the irnportance of a detailed study of serine endopeptidases, which may help in the development of better insect control strategies.

Nesse projeto trabalhamos com uma β-glicosidase digestiva da larva da lagarta Spodoptera frugiperda (Sfβgli50, 50 kD - AF052729), expressa na forma de proteína recombinante em E.colli. O nosso objetivo foi estudar o papel de dois resíduos de aminoácidos envolvidos na atividade catalítica da Sfβgli50. O primeiro resíduo estudado foi o Y456, envolvido na afinidade pela porção redutora do substrato (aglicone), o segundo resíduo foi o N329 envolvido na modulação do pH ótimo. Estudo do papel do resíduo Y456 na afinidade pelo aglicone do substrato. O sítio-ativo da Sfβgli50 é formado por quatros subsítios (-1, +1, +2, e +3). O subsítio que acomoda a porção não-redutora do substrato (glicone) recebe numeração negativa (-1), já os subsítios que acomodam a porção redutora do substrato (aglicone) recebem números positivos (+1, +2 e +3). Trabalhando com duas β-glicosidases de plantas (milho e sorgo), Cicek et al. (2000) demonstraram que uma pequena porção da extremidade C-terminal destas β-glicosidases (462SSGYTERF469 - numeração da enzima do sorgo) está envolvida na especificidade pelo aglicone do substrato, sendo que muitos desses aminoácidos são conservados em outras β-glicosidases da família 1. O alinhamento das sequências destas duas enzimas com a Sfβgli50 sugere que Y456 pode fazer parte do sítio de ligação do aglicone nesta β-glicosidase de inseto. Utilizando experimentos de mutação sítio-dirigida, o Y456 foi substituído por uma alanina (mutante Y456A) sendo que este foi expresso na forma de proteína recombinante em bactérias BL21 DE3 utilizando o vetor pT7-7. O mutante Y456A foi parcialmente purificado através de uma cromatografia hidrofóbica em sistema de FPLC, e caracterizado utilizando diversos inibidores competitivos (glucono δ-lactona, celobiose, celotriose, pentilbglicosídeo e octilbtioglicosídeo). Comparando os Kis obtidos para a Sfβgli50 selvagem e mutante Y456A com os inibidores glucono δ-lactona, celobiose e celotriose, foi proposto que Y456 encontra-se no subsítio +1 do sítio ativo da Sfβgli50. Já através da comparação entre os inibidores octilβtioglicosídeo e pentilβglicosídeos constatou-se que Y456 interage com uma porção polar do aglicone do substrato, talvez através de uma ligação de hidrogênio. Baseando-se nestes Kis foi calculada a energia de associação de resíduos de glicose e grupos alquila nos subsítios +1 e +2, indicando que o subsítio +1 do mutante Y456A tem uma especificidade mais ampla frente à ligantes polares (glicose) e apolares (grupos butil) do que a enzima selvagem. Sabendo que este resultado foi obtido removendo-se um resíduo com um grupo polar na cadeia lateral (Y456), estes dados estão de acordo com a hipótese de que a especificidade dos subsítios da região de ligação do aglicone é determinada por um balanço entre resíduos polares e apolares (Marana et al., 2001). Estudo do papel do resíduo N329 na modulação do pH ótimo. O mecanismo de catálise da Sfβgli50 é dependente de dois resíduos de ácido glutâmico: um doador de prótons (E187 - pKa= 7,5) e um nucleófilo (E399 - pKa = 5,0). Sendo o pH ótimo da Sfβgli50 (6,2) uma média aritmética dos pKas destes dois resíduos catalíticos. Uma análise estrutural do sítio ativo da Sfβgli50 mostra que o resíduo N329 forma ligações de hidrogênio com o resíduo E187 (doador de prótons), talvez atuando na modulação do seu pKa. Para estudar o papel do resíduo N329 na atividade da Sfβgli50 foram construídos 3 mutantes, nos quais tal resíduo foi substituído por alanina (N329A), ácido aspártico (N329D) e uma glutamina (N329Q). Os mutantes foram expressos na forma de proteína recombinante em bactérias BL21 DE3 utilizando os vetores pT7-7 e pCal-n-Flag. Entretanto, tentativas de purificação das SfΒgli50 mutantes através de cromatografia hidrofóbica foram infrutíferas, sugerindo uma possível inativação destas enzimas. Esta hipótese foi reforçada pela purificação das Sfβgli50 mutantes e selvagem contendo o peptídeo de fusão CBP (calmodulin binding peptide) através de cromatografia de afinidade. Este experimento demonstrou que as enzimas mutantes eram de fato inativas. Frente à estes resultados não foi possível concluir a caracterização do efeito do pH na atividade catalítica das Sfβgli50 mutantes N329A, N329D e N329Q. Por fim, foi proposto que a inativação da Sfβgli50 devido à mutações na posição N329 pode resultar de uma desnaturação das enzimas mutantes ou do reposicionamento do ácido catalítico devido à perda ou alteração da interação com o resíduo 329. / In this project it was studied the role of two residues (N329 and Y456) in the catalytic activity of a digestive β-glycosidase from Spodoptera frugiperda (SfΒgli50 - AF052729). N329 is believed to modulate the enzyme pH optimum, whereas Y456 may participate in the binding of the substrate aglycone. Role of Y456 The peptide 462SSGYTERF469 of the sorghum β-glycosidase is proposed to be part of the aglycone binding site in that enzyme. Some of those residues are conserved in Sfβgli50, among them Y456. Using site-directed mutagenesis Y456 was replaced by A and this mutant (Y456A) expressed in bacteria. Following that, this mutant enzyme was partially purified using hydrophobic chromatography. Inhibition experiments showed that binding of δ-gluconolactone, which occupies subsite -1, is not affected by that mutation. In contrast, Ki values for cellobiose (that binds to subsites -1 and +1) and cellotriose (that binds to subsites -1, +1 and +2) are two-fold higher than those of wild-type enzyme, indicating that mutation Y456A decrease the interaction with these oligocellodextrins. Moreover, binding of pentyl and octylβglucosides is not affected by mutation Y456A, suggesting that Y456 interacts with aglycone polar groups. Finally, evaluation of glucose and butyl binding energies in subsite +1 revealed that mutant Y456A specificity is broader than that of wild-type enzyme. Role of N329 A structural model of Sfβgli50 active site revealed that catalytic proton donor (E187) may interact with N329. In order to study the role of this interaction in the activity of Sfβgli50, N329 was replaced by A, D and Q (mutants N329A, N329D and N329Q, respectively). These mutants were expressed as recombinant proteins in bacteria and purified through affinity chromatography, revealing that Sfβgli50 was inactivated by those mutations. It was proposed that this inactivation may be due to protein desnaturation or a wrong positioning of the catalytic proton donor.

Tripsinas são enzimas comuns à maioria dos insetos e de fundamental importância para a digestão inicial de proteínas. Desta forma, tornam-se alvos importantes para orientar a construção de plantas transgênicas resistentes a insetos. As tripsinas são serina endopeptidases que clivam cadeias protéicas na porção carboxílica de resíduos de aminoácidos básicos como lisina e arginina, sendo que a hidrólise da ligação peptídica formada por um resíduo de arginina é de duas a dez vezes mais eficiente que a hidrólise da ligação peptídica formada por lisina. A purificação das tripsinas de insetos de diferentes ordens e o estudo da especificidade de seus subsítios utilizando substratos de fluorescência apagada servem de base para a seleção de um método mais eficiente de inibição da sua atividade, assim como para desvendar as tendências evolutivas da especificidade destas enzimas. O trabalho dessa dissertação levou ao desenvolvimento de processos de purificação das tripsinas de Periplaneta americana, Tenebrio molitor, Musca domestica e Diatraea saccharalis. O estudo da especificidade dos subsítios S1, S2, S3 e S1\' das tripsinas demonstraram que, diferentemente das tripsinas dos outros insetos e das tripsinas de mamíferos, a tripsina de Diatraea saccharalis hidrolisa com maior eficiência substratos que apresentem lisina em P1, demonstrando uma diferença na especificidade primária desta enzima. Além disso, é possível verificar ao longo da evolução dos grupos de insetos estudados uma tendência a tornar os subsítios cada vez mais hidrofóbicos. / Trypsins are serine endopeptidases that hydrolyze peptide bonds at the carboxyl side of positively charged residues: arginine and lysine. Mammalian trypsin preferentially cleaves the peptide bond formed by arginine. Site directed mutagenesis has shown that trypsin specificity is related to residues present at the primary specificity site and to structural determinants like two surface loops. Differences in trypsins specificity may be the cause of some insects be resistant to serine endopeptidases plant inhibitors and to Bacillus thuringiensis toxins. Trypsins are usual enzymes in insects and are very important to protein digestion. There are few studies dealing with insect trypsin specificity. They generally consist in analyses of fragments formed by the action of the enzyme on peptide chains like insulin β chain. As these studies were semi-quantitative, insect trypsin specificity requires a better characterization. This dissertation describes the purification of trypsins from Periplaneta americana, Tenebrio molitor, Musca domestica and Diatraea saccharalis and the characterization of the specificity of the subsites S1, S2, S3 e S1\' by the use of quenched fluorescence peptide substrates. The results showed that trypsins from the mentioned insects have different specificities, including the primary specificity. Thus, Diatraea saccharalis trypsin cleaves at Lys more efficiently than at Arg, whereas the eontrary is true for the other insects. The data also showed that trypsin subsites tend to beeome more hydrophobic as the insects are more evolved.

Parâmetros morfométricos do tubo digestório são necessários para o conhecimento dos processos digestivos dos alimentos no organismo animal além de indicar a preferência alimentar de uma espécie. Este trabalho visou descrever morfologicamente os intestinos delgado e grosso, órgãos do sistema digestório de representantes da ordem Xenarthra a fim de fornecer subsídios para a avaliação da dieta e realização de procedimentos clínicos nestes animais, sejam de vida livre ou de cativeiro. Foram utilizados no total 7 espécimes entre preguiças-de-coleira (Bradypus torquatus), tatu-verdadeiro (Dasypus novemcinctus) e tamanduá-bandeira (Myrmecophaga tridactyla). Todas as amostras foram processadas seguindo procedimentos de rotina para a macroscopia, e microscopia de luz e varredura. Os intestinos de B. torquatus se apresentaram curtos e simples, já em D. novemcintus e M. tridactyla notamos intestino longo e com algumas peculiaridades. No duodeno de todos os espécimes notamos presença de glândulas de Brünner, que aumentam a superfície de absorção. Apenas em B. torquatus, o mesentério mantinha o jejuno preso à parede dorsal da cavidade abdominal. O íleo representou a menor porção do intestino em todos os espécimes estudados, exceto M. tridactyla. O ceco em D. novemcinctus e M. tridactyla apresentava tamanho considerável e glândulas na mucosa, indicando a funcionalidade do órgão. Na mucosa do cólon de todos os espécimes, havia criptas de Lieberkühn, sendo mais numerosas em D. novemcinctus e M. tridactyla. Apenas em B. torquatus, o reto apresentou maior diâmetro e rigidez em relação ao cólon. No reto de todas as espécies estudadas, notamos a superfície glandular numerosa e grande quantidade de células caliciformes, que produzem muco para facilitar a defecação. Por fim, neste estudo notamos que os intestinos dos exemplares estudados têm algumas semelhanças entre si, principalmente entre D. novemcintus e M. tridactyla, provavelmente por serem ambos insetívoros, mas diferem em muitos aspectos, por vezes apresentando-se mais próximos aos intestinos de espécies de outras famílias do que dentro da família dos Xenarthras, possívelmente devido à alimentação semelhante / Morphometric parameters of the digestive tract are required for an understanding of the digestive processes of the food in the animal organism, besides indicating the feeding preference of specie. This study aimed to describe morphologically the small and large intestines, organs of the digestive system of representatives of Xenarthra order to provide data for the evaluation of diet and conduct clinical procedures in these animals, whether free-living or captive. At this research, were used in total 7 specimens from three-toed sloths (Bradypus torquatus), nine-banded armadillo (Dasypus novemcinctus) and giant anteater (Myrmecophaga tridactyla). All samples were processed following routine procedures for macroscopic, and light and scanning electron microscopy. The intestines of B. torquatus were short and simple, but at the specimens of D. novemcintus and M. tridactyla the intestines were long and had some peculiarities. We notice the presence of Brunner\'s glands and structures to increase the surface absorption at the duodenum of all specimens. Only in B. torquatus, we notice that the mesentery remains the jejune attached to the dorsal wall of the abdominal cavity. The ileum represented the lower portion of the intestines in all studied specimens except in M.tridactyla. The cecum in D. novemcinctus and M. tridactyla showed considerable size, glands at the mucosa and was full of food debris, indicating that it is functional. In the mucosa of the colon of all specimens had crypts of Lieberkühn, being more numerous in D. novemcinctus and M. tridactyla. Only in B. torquatus, the rectum showed greater diameter and stiffness compared to the colon. In all species studied, we notice a large glandular surface and lots of goblet cells that produce mucus to facilitate defecation. In summary, this study noted that the intestines of the studied has some similarities between them, especially among D. novemcintus and M. tridactyla, probably because they are both insectivores, but differ in many ways, presenting sometimes the intestines more assimilated with species of other families than within the family of Xenarthras, especially among animals with similar feed habits

Artificial urinary sphincters have been used for decades for treatment of urinary incontinence. A commonly used device, the AMS 800 consists of a urethral cuff, pump and an abdominal reservoir. Notable complications of this system include scrotal or labial hematomas, infection or erosion of the cuff and rarely migration of its components. Although there are few reported cases related to effects from pump migration, those documenting reservoir related complications are even rarer. We present a case of reservoir migration adjacent to the ascending colon causing ischemic changes mimicking colonic neoplasm. Our patient, a 66-year old male with medical history of adenocarcinoma of prostate status post radical prostatectomy, had been having abdominal pain for a month. A CT scan showed cecal and proximal ascending colonic irregular nodular thickening suggestive of colonic mass. It also revealed a low-density structure next to the ascending colon abutting into area of the mass. A follow up colonoscopy showed a fungating, ulcerated mass extending from cecum to ascending colon concerning for a malignancy of which biopsy was also done. The patient then underwent right open hemicolectomy. During surgery, a balloon reservoir was seen in the abdominal cavity with its adherence to the right colon but not eroding into it. The surgeon dissected the balloon, repositioned and re-peritonealized it before closing the abdomen. The colonoscopic and surgical pathology instead demonstrated findings of ischemic colitis with mucosal ulceration in cecum and ascending colon limited to the mucosa but no evidence of cancer. Retrospective chart review revealed history of artificial urinary sphincter implantation for urinary incontinence related to radical prostatectomy for adenocarcinoma eight years prior. With manufacturer suggested implant location of the reservoir in prevesical space, the possibility of migration needs to be accounted for. Although there are not many reports of artificial sphincter reservoir related complications, there are cases documenting inflatable penile prosthesis reservoir erosion into abdominal and pelvic structures. As the CT scan demonstrated reservoir indentation into the ascending colon, it likely led to chronic irritation of the adjacent colonic wall due to mass effect. It is hypothesized that constant pressure on colonic wall likely led to localized ischemia. This resulted in localized inflammation including submucosal edema, which can create a mass-like appearance when severe. This case emphasizes that, while preliminary radiographic imaging and even gross colonoscopy findings may be suggestive of a malignancy, it is imperative to await biopsy results to confirm the diagnosis of a malignant neoplasm. Our case report emphasizes the consideration of diagnoses other than colon cancer when faced with a colonic mass especially in the setting of implanted intra-abdominal foreign body to avoid unnecessary surgery and related complications.

<p>In this study, structural specificity of flavonoids was investigated toselectively inhibit starch digestive enzymes to stimulate the ileal-brake by triggering glucagon-like peptide-1 (GLP-1) through distal small intestine starch digestion which can regulate food intake and appetite. The double bond between C2 and C3 on flavonoid’s chemical structure plays a critical role to inhibit human pancreatic α-amylase, leading to π-staking interaction. Meanwhile, the hydroxyl group at C3 on the backbone benzopyran ring is intimately related to inhibition of the mucosal α-glucosidases. This selective inhibition is likely the result of fundamental differences in the protein structures of α-amylase and α-glucosidases, as they belong to different glycosyl hydrolase Families 13 and 31 (GH13 and GH31). α-Amylase has the catalytic active siteslocated in wide and shallow grooves on the protein structure, while α-glucosidases possess the narrow and deep catalytic pocket. In an acute study done on mice, luteolin, which had thehigher degree of selectivity toward α-amylase, showed a slow and sustained postprandial glycemic response with a reduced blood glucose peak and extended high glucose profile, compared to 3’,4’-dihydroxylflavonol as the selective α-glucosidases specific inhibitor. Quercetin was inhibitory of both α-amylase and α-glucosidases.Glycemic profiles in mice confirmed in vitro analysis of the inhibitory selectivity of the flavonoids tested. Additionally, the extended glycemic response with luteolin was accompaniedthe higher secretion of GLP-1 at extended postprandial times by delivering more starch portion into the distal small intestine where the ileal-brake and gut-brain axis activation takes place. Overall, selective inhibition of α-amylase by flavonoids potentially could be considered as a key approach to control glucose release from starch with slow and extended, but still complete, digestion for improved glycemic response and minimized adverse side effects that result from severely restricting or even shutting down starch digestion by pharmaceutical grade inhibitors.<br></p>