Leishmania é um protozoário parasito flagelado responsável pelas Leishmanioses, classificadas como doenças negligenciadas, que causam um risco a 350 milhões de pessoas em todo o mundo. As fumarato hidratases (FHs) são enzimas que catalisam a hidratação reversível da molécula de fumarato em S-malato e estudos recentes em tripanosomatídeos, utilizando Trypanosoma brucei como modelo, apontam essas enzimas como potenciais alvos para o planejamento de compostos com ação tripanossomicida e leishmanicida. O presente trabalho visou à caracterização funcional e estrutural das enzimas fumarato hidratase de Leishmania major através da determinação da estrutura por técnicas de difração de raios-X em monocristais, aliadas a técnicas espectroscópicas, de mutagênese sítio dirigida e simulação de dinâmica molecular. A susceptibilidade dessa classe de enzimas ao oxigênio devido a presença de um complexo do tipo [4Fe-4S] exigiu a utilização de técnicas modernas para a realização dos experimentos em condição de anaerobiose. A estrutura da isoforma citosólica da FH em L. major (LmFH-2) foi determinada por técnicas de difração de raios-X em monocristais e consiste na primeira estrutura de uma proteína da classe I das FHs a ser determinada. O enovelamento de LmFH-2 foi descrito como novo e consiste em uma proteína dimérica na qual cada monômero apresenta dois domínios denominados domínios N- e C- terminais, que possuem grande mobilidade entre si. A análise das estruturas cristalográficas de LmFH-2 em complexo com o substrato malato e os inibidores malonato e succinato, associada aos estudos de dinâmica molecular, nos permitiu propor que a mobilidade entre os domínios está associada à entrada do substrato no sítio ativo. Os dados estruturais corroborados pelos dados espectroscópicos e bioquímicos foram utilizados para mapear o sítio ativo e construirmos um modelo para descrever o mecanismo de ação enzimática adotado por essa classe de enzimas. Na tentativa de dar ínicio à validação do nosso modelo, o resíduo conservado Thr467, pertencente ao sítio ativo da LmFH-2 e identificado como importante na interação com o substrato, teve seu papel catalítico avaliado através da combinação de técnicas de mutação sítio-dirigida associada a estudos cinéticos e estruturais. A perda significativa na atividade da proteína mutante LmFH-2-T467A fortaleceu nossas hipóteses de que a Thr467 poderia atuar como ácido ou base no mecanismo RESUMO | II de ação das FHs da classe I. Os resultados obtidos nesse trabalho nos fornecerão as bases estruturais para o mapeamento acerca do mecanismo catalítico adotado pelas enzimas fumarato hidratase da classe I, assim como, para o planejamento de ligantes específicos como uma importante ferramenta na avaliação do potencial desta classe de enzimas como alvo para o desenvolvimento de novas terapias contra a Leishmaniose. / Leishmania parasites are the casual agent of leishamaniasis, classified as neglected tropical diseases, with 350 million people at risk of infection. Fumarate hydratases (FH) are enzymes that catalyze the stereospecific reversible hydratation of fumarate to S-malate and recent studies in trypanosomatids, using Trypanosoma brucei as a model suggest that the fumarate hydratase enzymes are essential for the parasite survival and should be exploited as potential targets for the development of new therapies against trypanosomatid related diseases. The present work focused the functional and structural characterization of both fumarate hydratase enzymes from Leishmania major by a combination of crystallographic, spectroscopic, site-direct mutagenesis and molecular dynamics techniques. The susceptibility to oxygen observed for this class of proteins due to the presence of a [4Fe-4S] cluster required the use of state-of-art infrastructure to perform the experiments under anaerobic environment. The structure of LmFH-2 has been determined by X-ray diffraction techniques and consists of the first class I FH structure to be reported. LmFH-2 folding has been found to be unique and consists of a dimer with each monomer composed of two major domains named N- and C-terminal domains. The analysis of the crystallographic structure of LmFH-2 in complex with the substrate malate and with both inhibitors malonate and succinate has allowed us to propose that the movement observed between both N- and C-domains is associated to the entrance of the substrate into the active site. The structural data corroborated with biochemical and spectroscopic studies have been used to map the active site and to build a model to describe the mechanism of action adopted by this class of enzymes. As our first attempt to validate our model, the residue Thr467 that belongs to the active site and has been identified as important in the interaction with the substrate, had its catalytic role evaluated by site-direct mutagenesis in combination with kinetic and structural studies. The significant loss in activity observed for the mutant LmFH-2-T467A supports our hypothesis that Thr467 can act as either acid or base during catalysis. Our results have provided the structural basis for the complete mapping of the catalytic mechanism adopted by fumarate hydratase enzymes, as well as for the design of specific ligands as an important tool for evaluating FHs as drug targets in development of new therapies against Leishmaniasis.

Biotransformações são reações de compostos orgânicos realizadas por microrganismos, plantas ou enzimas isoladas. A transformação de um composto em particular pode ser realizada em grupos funcionais com ou sem degradação de seu esqueleto. Neste trabalho foram utilizados fungos endofíticos e de solo na biotransformação da lactona sesquiterpênica enidrina e do diterpeno afidicolina. A enidrina possui atividade antidiabética e anti-inflamatória. A afidicolina possui pronunciada atividade antitumoral, antiviral e leishmanicida. Foram realizados experimentos de biotransformação da enidrina e da afidicolina com os fungos endofíticos Penicillium crustosum VR4, Papulospora immersa SS13, Fusarium oxysorium SS50 e com o fungo de solo Rhizopus stolonifer. A biotransformação da enidrina com fungo endofítico Papulospora immersa SS13 levou à obtenção de um derivado di-hidroxilado, produzido pela abertura do epóxido presente no éster da cadeia lateral desta lactona sesquiterpênica. Este produto só havia sido previamente obtido na literatura por semi-síntese a partir da enidrina. Os experimentos de biotransformação da afidicolina não levaram ao isolamento e identificação de produtos. Reações semi-sintéticas com a afidicolina foram mais eficientes para a obtenção de derivados deste diterpeno. Foram obtidos cinco derivados semi-sintéticos da afidicolina: dois derivados mono-éteres de silício, um di-éter de silício, um derivado tetra-acetilado e um tri-acetilado. Ainda, na purificação dos produtos reacionais isolou-se o produto natural 3-desoxiafidicolina. Todos os derivados afidicolanos foram submetidos ao ensaio frente a Leishmania major. A afidicolina, a 3-desoxiafidicolina e a afidicolina tri-acetilada exibiram as atividades leishmanicidas mais significativas. Foram calculadas as lipofilicidades dos derivados afidicolanos. A maior atividade observada para o derivado tri-acetilado da afidicolina pode estar relacionada com sua maior capacidade de cruzar as membranas celulares. Este trabalho levou ao isolamento de um produto de biotransformação da enidrina e à identificação de novos derivados afidicolanos naturais e semi-sintéticos com atividade leishmanicida. / Biotransformations are reactions of organic compounds made by intact microbial cells, plant cells or enzymes isolated. The transformation of a particular compound can be carried out at functional groups, with or without degradation of the carbonic skeleton. In this work endophytic and soil fungal strains were applied for the biotransformation of the bioactive terpenes enhydrin (sesquiterpene lactone) and aphidicolin (diterpene). Enhydrin shows anti-diabetic and anti-inflammatory activity. Aphidicolin has been reported as an antiviral, antitumoral and leishmanicidal hit. The endophytes Penicillium crustosum VR4, Papulospora immersa SS13, Fusarium oxysporium SS50 and the soil fungus Rhizopus stolonifer have been screened for the biotransformation of enhydrin and aphidicolin. The biotransformation of enhydrin, catalyzed by the endophytic P. immersa SS13, led to the isolation of a dihydroxy-derivative, a product of the sesquiterpene lactone side chain epoxide opening. This product had only been obtained previously by chemical means. The biotransformation experiments using aphidicolin as substrate were not successful in the production of derivatives. The derivatives of aphidicolin were more efficiently prepared through semi-synthetic approaches. Five aphidicolin semi-synthetic derivatives were obtained: two silicon mono-silyl ether derivatives, one silicon bis-silyl ether derivative, one tetra-acetylated derivative and one triacetylated derivative. During the purification of synthetic mixtures, the natural product 3-deoxyaphidicolin was also isolated. All the aphidicolane derivatives have been assayed against Leishmania major. Aphidicolin, 3-deoxyaphidicolin and triacetylated aphidicolin showed the higher leishmanicidal activities. The lipophilicities of aphidicolane derivatives were calculated. The higher activity presented by the triacetylated aphidicolin may be due to its higher ability to cross the cell membranes. This work led to the isolation of one biotransformation product of enhydrin and to the identification of new natural and semi-synthetic leishmanicidal aphidicolanes.

Chez les trypanosomatidés, on observe un double cycle cellulaire : karyokinèse et cytodiérèse sont synchronisées mais indépendantes. La membrane nucléaire persiste au cours de la mitose dite fermée. Les modalités de réplication de l'ADN et de sa régulation, de même que plusieurs étapes de la ségrégation des chromosomes, restent non élucidées : le kinétochore est composé de protéines très atypiques (KKTs), et il existe un déficit du nombre de kinétochores par rapport au nombre de chromosomes. D'autre part, la constitution des pôles du fuseau mitotique associés à la membrane nucléaire est totalement inconnue. Les nucléoporines sont des protéines conservées au cours de l'évolution, principalement impliquées dans la constitution des pores nucléaires et le trafic entre le noyau et le cytoplasme, mais également de plus en plus considérées comme des acteurs importants de la dynamique chromatinienne. En utilisant des vecteurs d'expression protéique sous forme fusionnée à la GFP, nous avons déterminé la localisation subcellulaire de 15 nucléoporines chez Leishmania major. Si la plupart de ces nucléoporines se localisent à la membrane nucléaire, plusieurs d'entre elles ont des localisations secondaires qui peuvent être prédominantes. Ainsi la nucléoporine Mlp2 est préférentiellement localisée au niveau du kinétochore et, en fin de mitose, à l'extrémité du fuseau mitotique chez les deux parasites Leishmania major et Trypanosoma brucei. En accord avec la localisation de TbMlp2 au kinétochore chez T. brucei, où les centromères sont identifiés, nous avons fréquemment détecté TbMlp2 à proximité des séquences centromériques, elles-mêmes détectées par FISH en périphérie du nucléole. Egalement grâce à la technique de FISH, nous montrons que l'inhibition de l'expression de TbMlp2 par ARN-interférence perturbe la distribution des chromosomes au cours de la mitose, conduisant à une aneuploïdie. Paradoxalement, cette inhibition n'a aucun effet sur la croissance des cellules. Nous présentons également le cas singulier de Mlp1, dont la localisation chez T. brucei dépend du site d'intégration choisi. Cette localisation sera discutée à la lumière des phénotypes observés lors de l'inhibition de son expression. / Trypanosomatid parasites exhibit two independent though coordinated (nuclear and mitochondrial) cell cycles, and a closed mitosis, of which many constituents and processes are unknown. In particular, most steps of the chromosome segregation remain elusive: the kinetochore is composed of atypical proteins called KKT and the number of kinetochores is deficient in relation to the number of chromosomes. Moreover, the constitution of the nuclear membrane-associated mitotic spindle poles is unknown. Nucleoporins are evolutionary conserved proteins mainly involved in the constitution of the nuclear pores and trafficking between the nucleus and cytoplasm, but are also increasingly viewed as main actors in chromatin dynamics. Using GFP-fused proteins, we determined the cellular localization of the 15 nucleoporins in Leishmania major. If most of these nucleoporins localized at the nuclear membrane, some of them exhibited secondary locations which are predominant in a few cases. Thus, the nucleoporin Mlp2 localized preferentially at the kinetochore and, at the end of mitosis, at the mitotic spindle poles in both parasites Leishmania major and Trypanosoma brucei. Consistent with the localisation of TbMlp2 to the kinetochore in T. brucei, where centromeres are identified, TbMlp2 was frequently detected in the vicinity of the centromeric sequences in the periphery of the nucleolus. The use of FISH allowed us to show that RNAi knockdowns of TbMlp2 disturbed the distribution of chromosomes during mitosis, leading to aneuploidy. Paradoxically RNAi knockdowns of TbMlp2 had no effect on cell growth. We will also present the singular case of Mlp1 whose location is dependent on the integration site in T. brucei. This location will be discussed in the light of the phenotypes observed after inhibition of its expression.

Leishmania é um protozoário parasito flagelado responsável pela Leishmaniose, doença que afeta 88 países, distribuídos em 4 continentes, e que causa um risco a aproximadamente 350 milhões de pessoas. Estudos recentes em tripanosomatídeos, utilizando Trypanosoma brucei como modelo, sugerem que as enzimas fumarato hidratase, enzimas que catalisam a hidratação reversível da molécula de fumarato em S-malato, são essenciais para sobrevivência de tripanossomatídeos. O presente projeto visou a clonagem, expressão, purificação e caracterização cinética e biofísica da enzima fumarato hidratase codificada pelo gene LmjF24.0320 de Leishmania major. A proteína foi expressa em bactéria e purificada por cromatografia de afinidade. Os ensaios de cinética enzimática mostram que a enzima segue o modelo de cinética de Michaelis-Menten com Km e Vmax de 2,7 ± 0,5 mM e 35,2 ± 5,8 micromol/min/mg para fumarato e 5,2 ± 0,4 mM e 11,8 ± 0,6 micromol/min/mg para S-malato, respectivamente. Para os estudos de localização celular foram produzidos e purificados anticorpos policlonais para as isoformas LmFH-1 e LmFH-2 de Leishmania major através de imunização de coelhos. A combinação de técnicas de imunofluorescência por microscopia confocal, western blotting e controle da atividade enzimática através fracionamento celular com digitonina nos permitiu concluir que a isoforma LmFH-1 se encontra localizada na mitocôndria do parasito, enquanto que a isoforma LmFH-2 possue dupla localização, sendo encontrada tanto no citosol quanto no glicossomo. A presença das isoformas LmFH-1 e LmFH-2 nos três compartimentos celulares: citosol, glicossomo e mitocôndria reforçam a importância da molécula de fumarato em diferentes processos celulares, e fortalecem a idéia de que a enzima fumarato hidratase pode ser considerada um potencial alvo para planejamento de fármacos anti-leishmaniose. / Leishmania parasites are the casual agent of leishamaniasis, a group of disease that affects 88 countries, distributed in four continents, with 350 million people at risk of infection. Recent studies in trypanosomatids, using Trypanosoma brucei as a model suggest that the fumarate hydratase enzymes, which catalyze the stereospecific hydration of fumatare to malate, are essential for trypanosomatid survival. The present project focused the cloning, expression, purification and both kinetic and biophysical characterization of fumarate hydratase encoded by gene LmjF24.0320 of Leishmania major. The protein has been expressed in bacteria and purified by affinity chromatography. The kinetic experiments reveal that the enzyme follow the Michaelis-Menten classic model with Km and Vmax of 2,7 ± 0,5 mM and 35,2 ± 5,8 micromol/min/mg for fumarate and 5,2 ± 0,4 mM and 11,8 ± 0,6 micromol/min/mg for S-malate, respectively. For the subcellular localization studies, polyclonal antisera against both isoforms LmFH-1 e LmFH-2 of Leishmania major were obtained after immunization of rabbits. The combination of confocal microscopy, western blotting and enzymatic activity through cell fractionation by selective permeabilization of membranes with digitonin suggest that LmFH-1 isoform is localized to mitochondria, while the LmFH-2 isoform is found to both cytosol and glycossome. The presence of LmFH-1 and LmFH-2 isoforms at the three cell compartments: cytosol, glycosome and mitochondria strongly supports the premise that fumarate is important for many cell processes and suggests that fumarate hydratase enzyme can be considered an attractive target for the development of anti-leishmaniasis drugs.

O ergosterol é um componente responsável por manter a integridade e a fluidez das membranas de Leishmania spp. A partir de uma metodologia que consiste em seleção por superexpressão gênica, foram isolados nove diferentes loci de L. (L.) major relacionados com a resistência a dois inibidores da via de biossíntese do ergosterol: Terbinafina (TBF) e Itraconazol (ITZ). Análises funcionais individuais desses nove loci na presença de TBF e ITZ (ou do análogo Cetoconazol - CTZ) apresentaram níveis significantes de resistência após transfecção em células selvagens de L. (L.) major. Nesse trabalho apresentamos a metodologia de isolamento de um desses loci (cItz2), bem como a análise in silico das regiões cromossômicas correspondentes aos insertos dos nove cosmídios no genoma de L. (L.) major / Ergosterol is an important compound responsible to maintain integrity and fluidity of Leishmania spp. membranes. Starting from an overexpression/selection method, our group has isolated nine different loci of L. (L.) major related to resistance against two inhibitors of the ergosterol biosynthesis pathway, Terbinafine (TBF) and Itraconazole (ITZ). Individual functional analysis of these nine loci in the presence of TBF and/or ITZ (or the ITZ analog Ketoconazole, CTZ), have showed significant levels of resistance after transfection into L. (L.) major wild-type cells, followed by over expression induction. In this work, we show the insert mapping and chromosomal identification of one of these loci (cItz2), as well as discuss the in silico chromosomal analysis of the nine correspondent inserts in the L. (L.) major genome

A enzima diidroorotato desidrogenase (DHODH) catalisa a conversão de diidroorotato em orotato, a quarta e única reação redox da via metabólica da síntese de novo de nucleotídeos de pirimidina. DHODH tem sido explorada como alvo validado para terapias contra doenças proliferativas e parasitárias e, em particular, tem sido considerada um alvo atraente para o planejamento de fármacos com ação contra tripanossomatídeos, como parasitos dos gêneros Trypanosoma e Leishmania, que conjuntamente são responsáveis por doenças e mortes que acometem milhões de pessoas em todo o mundo. Neste trabalho, através da combinação de técnicas de DNA recombinante, termofluor, cristalografia de raios-X e ensaios de inibição in vitro e in silico, foi possível identificar sítios alvos na estrutura da DHODH para o desenvolvimento de ligantes, identificar inibidores potentes e seletivos contra as DHODHs de Leishmania major e Trypanosoma cruzi e, caracterizar seus mecanismos de inibição. Finalmente, o efeito leishmanicida observado em nossos ensaios anti-promastigota e os baixos níveis de citotoxicidade observados em células de mamíferos sugerem que alguns dos compostos identificados durante o desenvolvimento deste projeto como potentes inibidores da enzima DHODH poderão ser utilizados como protótipos para o desenvolvimento de fármacos com ação leishmanicida e tripanocida. Combinados, nossos resultados forneceram uma nova e importante contribuição para a compreensão do mecanismo de ação das enzimas DHODH da classe 1A e para o desenho de fármacos baseado nas estruturas das enzimas diidroorotato desidrogenase de Leishmania major e Trypanosoma cruzi. Além disso, a alta identidade sequencial e estrutural observada entre as enzimas de tripanossomatídeos sugerem que uma única estratégia para o desenho de inibidores baseado em estrutura poderá ser usada para explorar a enzima DHODH como alvo terapêutico para várias doenças negligenciadas tropicais como Leishmaniose, Doença do sono e Doença de Chagas / Dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) catalyses the conversion of dihydroorote to orotate, the fourth step and only redox reaction in the de novo pyrimidine biosynthetic pathway. DHODH has been exploited as a validated target for therapy against proliferative and parasitic diseases, and in particular, has been considered to be an attractive target for drug development against trypanosomatids, such as parasites from the genera Leishmania and Trypanosoma that collectively cause disease and death in millions of humans. In this work, by combining recombinant DNA technology, thermofluor, X-ray crystallography and in vitro and in silico inhibition assays, we have been able to identify target sites for ligand design, identify potent and selective inhibitors against trypanosomatid DHODHs and fully characterize their mechanism of inibition. Finally, the anti-leishmanial effect observed in our anti-promastigote assays and the low citotoxicity levels observed against mammaliam cells strongly suggest that some of the compounds identified during the development of this project as potent DHODH inhibitors can be used as prototytes for the development of anti-leishmania and anti-trypanosoma drugs. Altogether, our findings provide a new and important contribution to the understanding of the mechanism of action of class 1A DHODHs and for the structure-assisted design of inhibitors against trypanosomatid DHODHs. Furthermore, the high sequence and structural similarity observed among trypanosomatid DHODH suggest that a single strategy of structure-based inhibitor design can be used to exploit DHODH as a druggable target against multiple neglected tropical diseases such as Leishmaniasis, Sleeping Sickness and Chagas\' Disease.

O parasita protozoário Leishmania apresenta um genoma plástico e dinâmico onde a amplificação gênica e translocações cromossomais são fenômenos comuns. Tal plasticidade sugere a necessidade de mecanismos robustos de reparo do DNA e de manutenção do genoma. A célula eucariótica desenvolveu sistemas de controle checkpoint que reconhecem estruturas alteradas de DNA e bloqueiam a progressão do ciclo celular permitindo que o reparo do DNA aconteça. Nestas células, o complexo heterotrimérico formado pelas proteínas Hus1, Rad9, e Rad1 participa nas etapas iniciais de reconhecimento e sinalização do estresse replicativo. Neste trabalho mostramos que a proteína Hus1 homóloga de Leishmania major é uma proteína nuclear que melhora a capacidade do parasito em lidar com o estresse replicativo. A análise de northern e PCR em tempo real mostraram que, após a transfecção do gene, a linhagem selecionada apresenta níveis aumentados dos transcritos LmHUS1. A utilização de um anticorpo anti-LmHus1 demonstrou o aumento nos níveis da proteína nestas células. Ainda, a superexpressão de LmHus1 confere resistência às drogas genotóxicas hidroxiuréia (HU) e metil metanosulfonato (MMS), e a resistência à HU correlaciona-se com a redução de dano no DNA após a expressão da LmHus1. A ruptura de um dos alelos LmHUS1 diminui os níveis do seu produto, compromete o crescimento do parasito e proporciona discreta diminuição na resistência às drogas genotóxicas. Resultados preliminares associam a expressão da LmHus1 ao fenômeno de amplificação gênica em L. major. Além disso, a possível quinase Chk1, efetora da sinalização iniciada em Hus1, foi clonada e transfectada no parasito, o anticorpo anti-Chk1 também foi produzido. Finalmente, considerando que LmHus1 funcione na detecção do dano e controle de defeitos na replicação de DNA, formulamos a hipótese de que o produto deste gene atue na forquilha de replicação e participe no fenômeno de rearranjo do DNA e na formação de amplicons neste parasito. / The protozoan parasite Leishmania presents a dynamic and plastic genome in which gene amplification and chromosome translocations are common phenomena. Such plasticity hints at the necessity of dependable genome maintenance pathways. Eukaryotic cells have evolved checkpoint control systems that recognize altered DNA structures and halt cell cycle progression allowing DNA repair to take place. In these cells, the PCNA-related heterotrimeric complex formed by the proteins Hus1, Rad9, and Rad1 is known to participate in the early steps of replicative stress sensing and signaling. Here we show that the Hus1 homolog of Leishmania major is a nuclear protein that improves the cell capability to cope with replicative stress. Northern analysis and real-time PCR showed that after transfection of the gene, the selected lineage presents increase in the LmHUS1 transcripts levels and overexpression was confirmed using anti-LmHus1. Thus, overexpression of LmHus1 confers resistance to the genotoxic drugs hydroxyurea (HU) and methyl methanesulfonate (MMS) and resistance to HU correlates to reduced net DNA damage upon LmHus1 expression. Preliminary results associate the LmHus1 expression to the gene amplification phenomena in L. major. And a possible Chk1-like kinase was cloned and transfected into the parasite, the anti-Chk1 was also produced. Besides, LmHus1 mutant is presented, and the LmHUS1 gene disruption decreases its product levels, leads to serious effects on growth, and presenting an slight decrease in the resistance to genotoxic drugs. Finally, considering the hypothesis that LmHus1 participates in the damage sensing and in the control of the DNA replication threats, we hypothesized that the product of this gene acts in replication forks and is involved in DNA rearrangement s and in the amplicons generation in this parasite.

Submitted by Ana Maria Fiscina Sampaio (fiscina@bahia.fiocruz.br) on 2014-08-11T13:24:14Z No. of bitstreams: 1 Diego Moura Santos. Avaliação... 2014.pdf: 3934510 bytes, checksum: 06fa6fa5250655c119370a03b641e2d0 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-08-11T13:24:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Diego Moura Santos. Avaliação... 2014.pdf: 3934510 bytes, checksum: 06fa6fa5250655c119370a03b641e2d0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Fundação Oswaldo Cruz. Centro de Pesquisa Gonçalo Moniz. Salvador, BA, Brasil / A leishmaniose é uma doença de escala global, que afeta 12 milhões de pessoas e pode causar um espectro de doenças que vai desde a forma cutânea localizada, que tende para a cura espontânea, até a forma visceral que é fatal. Apesar da gravidade da doença, até o momento não existe uma vacina efetiva para prevenir a leishmaniose. Dentre os antígenos promissores para o desenvolvimento de uma vacina, destacam-se as proteínas ribossomais (S4, S6, L3 e L5) e a KMP-11, uma proteína de superfície presente nos membros da família tripanosomatidae. Nosso estudo consistiu em avaliar os efeitos da imunização com estes antígenos frente ao desafio com L. major e com L. braziliensis, empregando modelos experimentais de infecção. Primeiramente, avaliamos a capacidade protetora dos antígenos ribossomais frente à infecção por L. major. Dos quatro antígenos avaliados, apenas L3 ou L5 foram capazes de prevenir o desenvolvimento da lesão e de diminuir a carga parasitária. A vacinação de camundongos com estes antígenos, na presença de CpG, induziu um perfil de resposta Th1, com elevada produção de IFN-γ, baixa produção de IL-10 e presença de anticorpos IgG2a. Em seguida, avaliamos a capacidade protetora dos antígenos L3 e L5 contra o desafio por L. braziliensis, na presença da saliva do vetor. A imunização com os antígenos L3 e/ou L5 também induziu uma elevada produção de IFN-γ, resultando em significativa redução na espessura da lesão e menor carga parasitária. Com relação ao antígeno KMP-11, investigamos a sua capacidade protetora utilizando duas estratégias vacinais: a estratégia homóloga que consistiu na imunização de camundongos com um plasmídeo de DNA que codifica KMP11 (DNA KMP-11) e a estratégia heteróloga que consistiu na imunização com nanopartículas de PLGA contendo DNA KMP-11, seguido de um reforço com nanopartículas contendo a proteína KMP-11 sob forma recombinante, na presença de CpG. As nanopartículas protegem o antígeno da degradação enzimática e promovem a liberação controlada deste, além de atuar como um adjuvante. Ambas as estratégias não impediram o desenvolvimento da lesão, após o desafio com L. braziliensis e na presença de saliva do vetor. Entretanto, os animais imunizados com a estratégia heteróloga apresentaram uma maior redução da carga parasitária comparado com o grupo imunizado pela estratégia homóloga. Este efeito foi associado com uma maior produção de IFN-γ e de TNF-α no sítio da infecção. Por fim, avaliamos a indução da resposta imune inata em macrófagos estimulados com KMP-11 encapsulados em nanopartículas. Observamos que a estimulação de macrófagos murinos com KMP-11, encapsulada em nanopartículas de PLGA, reduziu a carga parasitária intracelular e aumentou a produção de oxido nítrico, superóxido, TNF-α, IFN-γ, IL-6, IL-1β, IL-18, CCL2/MCP-1, CXCL-1/KC sugerindo a indução de uma potente resposta imune inata. Assim, concluímos que os antígenos L3 e/ou L5 mostraram ser promissores para o desenvolvimento de uma vacina que proteja contra as principais espécies de Leishmania e que o encapsulamento de antígenos em nanopartículas é capaz de induzir uma forte resposta imune. Essa estratégia deve ser considerada quanto ao desenvolvimento de vacinas para a leishmaniose. / Leishmaniasis is a global disease affecting 12 million people and can cause diseases that range from self-healing localized cutaneous leishmaniasis to fatal visceral leishmaniasis. Despite the severity of the disease, there is no effective vaccine to prevent leishmaniasis. Among the promising antigens for the development of a vaccine, stand out the ribosomal proteins (S4, S6, L3, and L5) and KMP-11, a surface protein, widely found in the members of family Trypanosomatidae. Our study evaluated the effects of immunization with these antigens upon challenge with L. major and L. braziliensis, employing the experimental models of infection. First, we evaluated the protective ability of ribosomal antigens to infection by L. major. Among the four antigens examined only L3 or L5 were able to prevent lesion development and decrease the parasite load. Mice vaccinated with these antigens, plus CpG, developed a Th1-type response with high production of IFN-γ, low production of IL-10 and presence of IgG2a antibodies. Next, we evaluated the protective capacity of L3 and L5 antigens against challenge by L. braziliensis, in the presence of sand fly saliva. Vaccination with L3 or L5 also induced a high production of IFN-γ, resulting in significant inhibition of lesion development and lower parasite load. Regarding KMP-11, we investigated its protective capacity using two immunization strategies: the homologous strategy, which consisted in immunizing mice with a plasmid DNA encoding KMP-11(DNA KMP-11) while the heterologous immunization strategy consisted of inoculation of PLGA nanoparticles (NPs) containing DNA KMP-11 followed by a booster inoculation with nanoparticles containing recombinant KMP-11, in the presence of CpG. Nanoparticles protect the antigen from enzymatic degradation and promote controlled release, in addition to acting as an adjuvant. Lesion development was not inhibited following either immunization strategy, after challenge with L. braziliensis in the presence of sand fly saliva. However, animals immunized with the heterologous strategy showed a greater reduction in parasite load compared with the group immunized by the homologous strategy. This effect was associated with increased production of IFN-γ e TNF-α at the infection site. Finally, we evaluated the induction of the innate response in macrophages stimulated with KMP-11 encapsulated in NPs. We observed that stimulation of murine macrophages with KMP-11 encapsulated in NPs reduced the parasitic load and increased production of nitric oxide, superoxide, TNF-α, IFN-γ, IL-6, IL-1β, IL-18, CCL2/MCP-1, CXCL-1/KC suggesting the induction of a potent innate immune response. We conclude that the L3 and/or L5 are promising antigens for the development of a vaccine that protects against the main species of Leishmania and that encapsulation of antigens into nanoparticles induces strong immune response. This strategy should be considered for the development of vaccines against leishmaniasis.

O parasita protozoário Leishmania apresenta um genoma plástico e dinâmico onde a amplificação gênica e translocações cromossomais são fenômenos comuns. Tal plasticidade sugere a necessidade de mecanismos robustos de reparo do DNA e de manutenção do genoma. A célula eucariótica desenvolveu sistemas de controle checkpoint que reconhecem estruturas alteradas de DNA e bloqueiam a progressão do ciclo celular permitindo que o reparo do DNA aconteça. Nestas células, o complexo heterotrimérico formado pelas proteínas Hus1, Rad9, e Rad1 participa nas etapas iniciais de reconhecimento e sinalização do estresse replicativo. Neste trabalho mostramos que a proteína Hus1 homóloga de Leishmania major é uma proteína nuclear que melhora a capacidade do parasito em lidar com o estresse replicativo. A análise de northern e PCR em tempo real mostraram que, após a transfecção do gene, a linhagem selecionada apresenta níveis aumentados dos transcritos LmHUS1. A utilização de um anticorpo anti-LmHus1 demonstrou o aumento nos níveis da proteína nestas células. Ainda, a superexpressão de LmHus1 confere resistência às drogas genotóxicas hidroxiuréia (HU) e metil metanosulfonato (MMS), e a resistência à HU correlaciona-se com a redução de dano no DNA após a expressão da LmHus1. A ruptura de um dos alelos LmHUS1 diminui os níveis do seu produto, compromete o crescimento do parasito e proporciona discreta diminuição na resistência às drogas genotóxicas. Resultados preliminares associam a expressão da LmHus1 ao fenômeno de amplificação gênica em L. major. Além disso, a possível quinase Chk1, efetora da sinalização iniciada em Hus1, foi clonada e transfectada no parasito, o anticorpo anti-Chk1 também foi produzido. Finalmente, considerando que LmHus1 funcione na detecção do dano e controle de defeitos na replicação de DNA, formulamos a hipótese de que o produto deste gene atue na forquilha de replicação e participe no fenômeno de rearranjo do DNA e na formação de amplicons neste parasito. / The protozoan parasite Leishmania presents a dynamic and plastic genome in which gene amplification and chromosome translocations are common phenomena. Such plasticity hints at the necessity of dependable genome maintenance pathways. Eukaryotic cells have evolved checkpoint control systems that recognize altered DNA structures and halt cell cycle progression allowing DNA repair to take place. In these cells, the PCNA-related heterotrimeric complex formed by the proteins Hus1, Rad9, and Rad1 is known to participate in the early steps of replicative stress sensing and signaling. Here we show that the Hus1 homolog of Leishmania major is a nuclear protein that improves the cell capability to cope with replicative stress. Northern analysis and real-time PCR showed that after transfection of the gene, the selected lineage presents increase in the LmHUS1 transcripts levels and overexpression was confirmed using anti-LmHus1. Thus, overexpression of LmHus1 confers resistance to the genotoxic drugs hydroxyurea (HU) and methyl methanesulfonate (MMS) and resistance to HU correlates to reduced net DNA damage upon LmHus1 expression. Preliminary results associate the LmHus1 expression to the gene amplification phenomena in L. major. And a possible Chk1-like kinase was cloned and transfected into the parasite, the anti-Chk1 was also produced. Besides, LmHus1 mutant is presented, and the LmHUS1 gene disruption decreases its product levels, leads to serious effects on growth, and presenting an slight decrease in the resistance to genotoxic drugs. Finally, considering the hypothesis that LmHus1 participates in the damage sensing and in the control of the DNA replication threats, we hypothesized that the product of this gene acts in replication forks and is involved in DNA rearrangement s and in the amplicons generation in this parasite.

A enzima diidroorotato desidrogenase (DHODH) catalisa a conversão de diidroorotato em orotato, a quarta e única reação redox da via metabólica da síntese de novo de nucleotídeos de pirimidina. DHODH tem sido explorada como alvo validado para terapias contra doenças proliferativas e parasitárias e, em particular, tem sido considerada um alvo atraente para o planejamento de fármacos com ação contra tripanossomatídeos, como parasitos dos gêneros Trypanosoma e Leishmania, que conjuntamente são responsáveis por doenças e mortes que acometem milhões de pessoas em todo o mundo. Neste trabalho, através da combinação de técnicas de DNA recombinante, termofluor, cristalografia de raios-X e ensaios de inibição in vitro e in silico, foi possível identificar sítios alvos na estrutura da DHODH para o desenvolvimento de ligantes, identificar inibidores potentes e seletivos contra as DHODHs de Leishmania major e Trypanosoma cruzi e, caracterizar seus mecanismos de inibição. Finalmente, o efeito leishmanicida observado em nossos ensaios anti-promastigota e os baixos níveis de citotoxicidade observados em células de mamíferos sugerem que alguns dos compostos identificados durante o desenvolvimento deste projeto como potentes inibidores da enzima DHODH poderão ser utilizados como protótipos para o desenvolvimento de fármacos com ação leishmanicida e tripanocida. Combinados, nossos resultados forneceram uma nova e importante contribuição para a compreensão do mecanismo de ação das enzimas DHODH da classe 1A e para o desenho de fármacos baseado nas estruturas das enzimas diidroorotato desidrogenase de Leishmania major e Trypanosoma cruzi. Além disso, a alta identidade sequencial e estrutural observada entre as enzimas de tripanossomatídeos sugerem que uma única estratégia para o desenho de inibidores baseado em estrutura poderá ser usada para explorar a enzima DHODH como alvo terapêutico para várias doenças negligenciadas tropicais como Leishmaniose, Doença do sono e Doença de Chagas / Dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) catalyses the conversion of dihydroorote to orotate, the fourth step and only redox reaction in the de novo pyrimidine biosynthetic pathway. DHODH has been exploited as a validated target for therapy against proliferative and parasitic diseases, and in particular, has been considered to be an attractive target for drug development against trypanosomatids, such as parasites from the genera Leishmania and Trypanosoma that collectively cause disease and death in millions of humans. In this work, by combining recombinant DNA technology, thermofluor, X-ray crystallography and in vitro and in silico inhibition assays, we have been able to identify target sites for ligand design, identify potent and selective inhibitors against trypanosomatid DHODHs and fully characterize their mechanism of inibition. Finally, the anti-leishmanial effect observed in our anti-promastigote assays and the low citotoxicity levels observed against mammaliam cells strongly suggest that some of the compounds identified during the development of this project as potent DHODH inhibitors can be used as prototytes for the development of anti-leishmania and anti-trypanosoma drugs. Altogether, our findings provide a new and important contribution to the understanding of the mechanism of action of class 1A DHODHs and for the structure-assisted design of inhibitors against trypanosomatid DHODHs. Furthermore, the high sequence and structural similarity observed among trypanosomatid DHODH suggest that a single strategy of structure-based inhibitor design can be used to exploit DHODH as a druggable target against multiple neglected tropical diseases such as Leishmaniasis, Sleeping Sickness and Chagas\' Disease.