O proteassomo é o componente do sistema Ubiquitina-Proteassomo (UPS), responsável pela degradação de proteínas intracelulares marcadas com cauda de ubiquitina. No entanto, a unidade catalítica do proteassomo (20SPT), destituída de unidades regulatórias, é capaz de degradar proteínas de maneira ubiquitina-independente. Diversas modificações pós-traducionais já foram descritas para o 20SPT, incluindo a S-glutatiolação. De acordo com Demasi e col., (2003) o 20SPT da levedura Saccharomyces cerevisiae possui a atividade tipo-quimiotripsina modulada por glutationa e o mecanismo de glutatiolação implica na formação do intermediário ácido sulfênico. No presente trabalho, identificamos por espectrometria de massas (MS/MS) um total de sete resíduos diferentes de cisteína glutatiolados no 20SPT, sendo seis in vitro por incubação com GSH e três in vivo, extraído de células crescidas até atingir fase estacionária tardia em meio rico. Analisando a estrutura 3D do 20SPT, observou-se que os resíduos de cisteína glutatiolados não estão localizados na entrada da câmara catalítica nem próximos aos sítios-ativos, indicando um mecanismo alostérico da modulação da atividade proteassomal. O proteassomo glutatiolado extraído de leveduras é capaz de degradar proteínas oxidadas de maneira mais eficiente que o proteassomo reduzido por DTT, e ainda, esta degradação gera perfis peptídicos diferenciados por utilizar distintamente as atividades sítio-especificas, como visualizado por análises de HPLC e MS/MS. Por microscopia eletrônica verificamos a conformação aberta da câmara catalítica do proteassomo glutatiolado, sendo esta imediatamente fechada pela remoção da glutationa do 20SPT na presença de DTT. Caracterizamos ainda, enzimas reponsáveis pela desglutatiolação do 20SPT, capazes de recuperar as atividades proteassomais que haviam sido diminuídas pela glutatiolação: as oxidoredutases glutarredoxina 2 e as tiorredoxinas citosólicas. O mecanismo ainda inclui a hidrólise dessas oxidorredutases, fenômeno também verificado para diversas proteínas da suprafamília tiorredoxina, provavelmente devido a propriedades estruturais desta família. A glutatiolação do proteassomo apresenta-se como uma nova modificação pós-traducional de ocorrência fisiológica dependente do estado redox celular. Esta modificação promove aumento da atividade proteolítica, sugerindo uma função antioxidante atuante na remoção de proteínas oxidadas durante desafios oxidativos / The proteasome is the protease of the Ubiquitin-Proteasome System (UPS) responsible for the breakdown of intracellular ubiquitin-tagged proteins. However, the catalytic particle of the proteasome (20SPT) is capable of hydrolyzing some substrates in an ubiquitin-independent fashion. The S-glutathiolation of the 20SPT was described among several post-translational modifications and according to Demasi et. al. (2003), the chymotrypsin-like activity of proteasome from yeast Saccharomyces cerevisiae is regulated by glutathione. The mechanism of S-glutathiolation is dependent on the formation of the sulfenic acid intermediate in the cisteine residues of the 20SPT. In this present work, we identified in vitro and in vivo, a total of seven different S-glutathiolated proteasomal cysteine residues by mass spectrometry studies (MS/MS) and, by analyzing the 3D structure of the 20SPT, the modified cysteine residues are not located either on the entrance of the catalytic core or near to the active sites, indicating an allosteric mechanism of proteasomal modulation. During protein degradation, the natively S-glutathiolated 20SPT produces different patterns of peptide products when compared to the DTT-reduced particle through distinct site-specific cleavage of the protein substrates, as herein demonstrated by HPLC and MS/MS analyses. Furthermore, by electron microscopy, we showed that the entrance of the natively glutathiolated 20SPT is in the open conformation that immediately shifts to the closed conformation in the presence of DTT. We have also characterized the deglutathiolase role of the oxidoreductases Glutaredoxin 2 and Citosolic Thioredoxins 1 and 2 which recover the partially inhibited 20SPT activities. The deglutathiolation mechanism also includes the oxidoreductase degradation dependent on the 20SPT activation. The proteasome Sglutathiolation emerges as a new physiological post-translational modification correlated to the cellular redox state. Moreover, the S-glutathiolation of the 20SPT increases its proteolytic activity suggesting an antioxidant role by removing oxidized proteins generated during oxidative challenges.

Neste trabalho está descrito a síntese e avaliação biológica de uma série de compostos de selênio(IV) e telúrio(IV). Esta série foi planejada para que diferentes fatores estruturais pudessem ser avaliados e as possíveis relações entre a estrutura e atividade biológica dos compostos pudessem ser determinadas. Para tanto, selênio, telúrio, cloro e bromo foram diferentemente combinados em um esqueleto carbônico simples, contendo ou não um centro assimétrico. Os compostos de interesse foram sintetizados empregando metodologias quimio-enzimáticas, quando necessário, e reações clássicas da química do selênio e telúrio, levando aos compostos de interesse em poucas etapas e com bons rendimentos. No caso dos ensaios biológicos, parâmetros como potência relativa, constante de inibição de segunda-ordem, mecanismo de inibição, CI50 e viabilidade celular foram determinados dentro das possibilidades experimentais envolvendo cada enzima. As possíveis combinações deram origem a 12 compostos que foram avaliados como inibidores de cisteíno catepsinas B, K, V e S onde a potência relativa dos mesmos pode ser determinada. Para as cisteíno catepsinas V e S, as constantes de inibição de segunda-ordem foram determinadas e ficou evidenciado que a combinação entre telúrio e bromo leva aos compostos mais potentes para estas proteases, enquanto que a combinação entre selênio e cloro origina os inibidores menos potentes. A combinação, selênio e bromo, ou telúrio e cloro forneceu inibidores com potências intermediárias. Este foi o primeiro estudo descrevendo compostos de selênio(IV) como inibidores de proteases. Os mesmos compostos também foram avaliados como inibidores do proteassomo 20S, uma treonino protease, onde se pode observar pela primeira vez que compostos de selênio e telúrio atuam como inibidores desta protease. Os valores de CI50 dos compostos foram determinados e novamente os compostos de telúrio mostraram-se mais potentes do que seus congêneres de selênio. Por outro lado, ensaios em células demonstraram que os compostos de telúrio são direcionados a outro alvo biológico, diferentemente dos compostos de selênio que continuaram a inibir o proteassomo em um lisado celular. Em ensaios de viabilidade celular ficou evidenciado que os compostos de selênio foram mais citotóxicos do que os de telúrio, o que se mostrou muito interessante para desenvolvimento de um agente anticancer onde a resposta biológica desejada é a morte celular. / The synthesis and biological evaluation of a series of selenium(IV) and tellurium(IV) compounds have been described in this research. This series was designed to allow different structural factors to be evaluated, and the possible strutucture-activity relationships determinated. Selenium, tellurium, chlorine and bromine were differently combined in a carbon backbone with or without an asymmetric center. The compounds were synthetized by using both chemo-enzymatic methodology and classical selenium and tellurium chemistry. From biological assays, relative potency, second-order inactivation constant, inhibition mechanism, IC50 and cell viability were determinated according to the experimental possibilities involving each enzyme protocol. The 12 compounds synthesized from the possible combinations among selenium, tellurium, chlorine and bromine were evaluated as cysteine cathepsins B, K, V and S inhibitors, and their relative potencies were determined. By determining the second-order inactivation constant for cysteine cathepsins V and S, it was shown that a tellurium and bromine combination led to most powerfull inhibitors. Selenium and chlorine combination led to less potent inhibitiors, while selenium and bromine, and tellurium and chlorine led to inhibitors with intermediate potency. Those compounds were also evaluated as 20S proteasome inhibitors, a threonine protease. We first observed selenium and tellurium-containing compounds acting as inhibitors of 20S proteasome. The IC50 values were determinate and tellurium compounds were more potent again. On the other hand, tellurium compound did not inhibit proteasome in cells, while selenium-containing compound does it. By cell viability assays it was verified that selenium-containing compounds were more cytotoxic than their tellurium analogs. This data is interesting for someone that wishes to develop an anti-cancer agent where the biological response desired is death of cancerous cells.

O proteassomo é um complexo proteico responsável pela degradação de proteínas poli-ubiquitinadas. É constituído por uma unidade catalítica denominada de proteassomo 20S (20SPT) e por unidades regulatórias (19S) acopladas em uma ou ambas as extremidades para formar o proteassomo 26S. O 20SPT é capaz de degradar proteínas por um processo independente de ATP e ubiquitina. Este mecanismo é considerado preventivo de agregação proteica, uma vez que o acúmulo de proteínas oxidadas está diretamente associado ao envelhecimento e doenças neurodegenerativas. Foi observado pelo grupo que o 20SPT da levedura S.cerevisiae sofre S-glutatiolação nos resíduos de Cys 76 e Cys 221 da subunidade 5. Dados obtidos por microscopia eletrônica de transmissão mostraram que a S-glutatiolação promove a abertura da câmara catalítica e consequentemente o aumento da degradação de proteínas. Recentemente, foram obtidas linhagens com mutações sítio-específicas pela substituição dos dois resíduos de Cys glutatioláveis pela Ser. Ensaios realizados com a linhagem C221 mostraram um aumento da longevidade e resistência ao estresse oxidativo quando comparada com a linhagem selvagem, enquanto que a linhagem C76 mostrou uma dificuldade no crescimento. Foi verificado também que a população de proteassomo isolada da linhagem C221 apresenta maior proporção da forma aberta da câmara catalítica. Resultados opostos foram observados na linhagem C76S. No entanto, constatamos um aumento de proteínas oxidadas e de agregados proteicos na linhagem C221 em comparação a selvagem. Esses dados não condizem com o aumento do tempo de vida cronológico desta linhagem, porém acreditamos que esses agregados estejam relacionados a um tipo de sequestro de proteínas potencialmente prejudiciais, como será discutido neste trabalho. / The proteasome is a protein complex responsible for the degradation of poly-ubiquitinated proteins. It comprises a catalytic unit called 20S proteasome (20SPT) and regulatory units (19S) coupled at one or both ends to form the 26S proteasome. The 20SPT is able to degrade proteins by an ATP and ubiquitin independent process. This mechanism is considered preventive of protein aggregation, since the accumulation of oxidized proteins is directly related to aging and neurodegenerative diseases. It was observed by our group that the yeast 20SPT (S. cerevisiae) is modified by S-glutathiolation in the residues Cys 76 and Cys 221 of the 5 subunit. Data obtained by transmission electron microscopy showed that the S-glutathiolation promotes the opening of the catalytic chamber and consequently increased degradation of oxidized proteins. Recently, strains were obtained by site-specific mutations by replacing the two glutathiolable Cys residues by Ser. Tests performed with the C221 strain showed an increased longevity and resistance to oxidative stress when compared to the wild type strain, whereas the C76 strain showed a slower growth. It was also found that the isolated population of the 5-C221S proteasome presents the highest frequency of open catalytic chamber conformation. Opposite results were observed in the C76S lineage. However, we noted an increased pool of oxidized proteins and protein aggregates in the C221 strain compared to the wild type. These data do not match with the increase of chronological life span observed in this lineage, but we believe that these aggregates are related to a kind of \"sequestration\" of potentially damaging proteins, as will be discussed in this work.

Neste trabalho está descrito a síntese e avaliação biológica de uma série de compostos de selênio(IV) e telúrio(IV). Esta série foi planejada para que diferentes fatores estruturais pudessem ser avaliados e as possíveis relações entre a estrutura e atividade biológica dos compostos pudessem ser determinadas. Para tanto, selênio, telúrio, cloro e bromo foram diferentemente combinados em um esqueleto carbônico simples, contendo ou não um centro assimétrico. Os compostos de interesse foram sintetizados empregando metodologias quimio-enzimáticas, quando necessário, e reações clássicas da química do selênio e telúrio, levando aos compostos de interesse em poucas etapas e com bons rendimentos. No caso dos ensaios biológicos, parâmetros como potência relativa, constante de inibição de segunda-ordem, mecanismo de inibição, CI50 e viabilidade celular foram determinados dentro das possibilidades experimentais envolvendo cada enzima. As possíveis combinações deram origem a 12 compostos que foram avaliados como inibidores de cisteíno catepsinas B, K, V e S onde a potência relativa dos mesmos pode ser determinada. Para as cisteíno catepsinas V e S, as constantes de inibição de segunda-ordem foram determinadas e ficou evidenciado que a combinação entre telúrio e bromo leva aos compostos mais potentes para estas proteases, enquanto que a combinação entre selênio e cloro origina os inibidores menos potentes. A combinação, selênio e bromo, ou telúrio e cloro forneceu inibidores com potências intermediárias. Este foi o primeiro estudo descrevendo compostos de selênio(IV) como inibidores de proteases. Os mesmos compostos também foram avaliados como inibidores do proteassomo 20S, uma treonino protease, onde se pode observar pela primeira vez que compostos de selênio e telúrio atuam como inibidores desta protease. Os valores de CI50 dos compostos foram determinados e novamente os compostos de telúrio mostraram-se mais potentes do que seus congêneres de selênio. Por outro lado, ensaios em células demonstraram que os compostos de telúrio são direcionados a outro alvo biológico, diferentemente dos compostos de selênio que continuaram a inibir o proteassomo em um lisado celular. Em ensaios de viabilidade celular ficou evidenciado que os compostos de selênio foram mais citotóxicos do que os de telúrio, o que se mostrou muito interessante para desenvolvimento de um agente anticancer onde a resposta biológica desejada é a morte celular. / The synthesis and biological evaluation of a series of selenium(IV) and tellurium(IV) compounds have been described in this research. This series was designed to allow different structural factors to be evaluated, and the possible strutucture-activity relationships determinated. Selenium, tellurium, chlorine and bromine were differently combined in a carbon backbone with or without an asymmetric center. The compounds were synthetized by using both chemo-enzymatic methodology and classical selenium and tellurium chemistry. From biological assays, relative potency, second-order inactivation constant, inhibition mechanism, IC50 and cell viability were determinated according to the experimental possibilities involving each enzyme protocol. The 12 compounds synthesized from the possible combinations among selenium, tellurium, chlorine and bromine were evaluated as cysteine cathepsins B, K, V and S inhibitors, and their relative potencies were determined. By determining the second-order inactivation constant for cysteine cathepsins V and S, it was shown that a tellurium and bromine combination led to most powerfull inhibitors. Selenium and chlorine combination led to less potent inhibitiors, while selenium and bromine, and tellurium and chlorine led to inhibitors with intermediate potency. Those compounds were also evaluated as 20S proteasome inhibitors, a threonine protease. We first observed selenium and tellurium-containing compounds acting as inhibitors of 20S proteasome. The IC50 values were determinate and tellurium compounds were more potent again. On the other hand, tellurium compound did not inhibit proteasome in cells, while selenium-containing compound does it. By cell viability assays it was verified that selenium-containing compounds were more cytotoxic than their tellurium analogs. This data is interesting for someone that wishes to develop an anti-cancer agent where the biological response desired is death of cancerous cells.

A oxidação de proteínas é um fenômeno metabólico e a degradação de proteínas oxidativamente modificadas confere uma proteção para a célula, evitando acúmulo e a agregação das mesmas. A ineficiência na remoção destas proteínas está relacionada ao processo de envelhecimento e ao aparecimento de doenças neurodegenerativas. A unidade catalítica do proteassomo, denominada de 20S (PT20S), é a principal via de degradação de proteínas danificadas pela oxidação sem que haja gasto de ATP, acoplamento de subunidades regulatórias ou poli-ubiquitinação do substrato proteico. A unidade PT20 por sua vez, pode sofrer modificação pós-traducional chamada de S-glutationilação, que aumenta a velocidade degradação proteica por processo independente de poli-ubiquitinação. Em levedura (Saccharomyces cerevisiae), foram identificados apenas dois resíduos de Cys glutationilados, ambos na subunidade α5 (α5-76 e α5-221). A S-glutationilação ocasiona a abertura da câmara catalítica e uma maior eficiência na degradação de proteínas. Mutações sítio-específicas foram realizadas nessas Cys pela substituição por Ser. As consequências estruturais e funcionais dessas mutações foram o aumento da frequência da conformação fechada da câmara catalítica no α5-76S-PT20S e α5-221S-PT20S. As linhagens que carregam essas mutações apresentaram menor tempo de vida cronológico. Uma dupla mutação randômica na subunidade α5 (S35P / C221S) induziu a abertura da câmera catalítica do 20SPT e esta linhagem apresentou tempo de vida cronológico significativamente aumentado e , aumento na resistência ao estresse oxidativo em paralelo ao aumento da atividade catalítica do 20SPT. O objetivo neste projeto de pesquisa foi realizar uma análise proteômica quantitativa no extrato celular das linhagens mutantes, com o objetivo de identificar proteínas que possam estar relacionadas com a regulação da longevidade celular. Foram selecionadas as linhagens que carregam as mutações: α5-76S e α5-S35P/C221S uma vez que apresentaram expectativa de vida oposta em relação à linhagem selvagem, além de queda e aumento da frequência da conformação aberta da câmera catalítica, respectivamente. A partir da quantificação sem marcação (Label-free quantification), foram identificadas 723-1000 proteínas nas amostras das linhagens selvagem e mutantes. Dentre elas, destacam-se as proteínas 3-isopropilmalato isomerase e argininossuccinato sintase, envolvidas na síntese de leucina e arginina, respectivamente, aumentadas na linhagem mutante C76S e reduzidas na linhagem S35P/C221S. O metabolismo de ambos os aminoácidos está relacionado com a via de sinalização TOR que, por sua vez, está envolvida com o tempo de vida cronológico em levedura. / The protein oxidation is a metabolic phenomenon and the degradation of oxidatively modified proteins confers a protection to cell, avoiding accumulation and aggregation of these proteins. The inefficiency in the removal of these proteins is related to aging process and neurodegenerative diseases. The catalytic unit of the proteasome, named 20S (PT20S) is the main degradative pathway of oxidized proteins in an ATP-independent manner, without proteasomal regulatory units assembly or protein poliubiquitination. The PT20 unit undergoes a post-translational modification named S-glutationilation, which increases the protein degradation by the ATP-independent process. In yeast, only two Cys residues were identified glutationilated, both in the α5 subunit (α5-C76 e α5-C221). The S-glutationilation causes opening of the catalytic chamber and higher efficiency of protein hydrolysis. Site-specific mutations were performed in those Cys residues by their replacement to Ser. The structural and functional consequences of mutations were the increasedfrequency of theclosed conformation of the catalytic chamber in the α5-76S-PT20S and α5-221S-PT20S. The strains carrying those mutations presented shorter chronological life span. A double random mutation in the α5 subunit (S35P / C221S) induced the opening of 20SPT catalytic chamber together toextended chronological life span and, increased resistant to oxidative stress in parallel to increased catalytic activity of the 20SPT. The goal of this project was to perform a label-free quantitative proteomic analysis in the mutant strains to identify proteins that could be related with the regulation of cellularlifespan. From that quantification, 723 - 1000 proteins were identified in the samples of the wild-type and mutant strains. Among these proteins, 3-isopropylmalate isomerase and argininesuccinate sintase, involved in the leucine and arginine biosynthesis, respectively, were found increased in the C76S mutant strain and reduced in the S35P/C221S mutant strain. The metabolism of both amino acids is related with TOR signallingthat, in turn,modulates chronological lifespan in yeast

Neste trabalho foi realizada a síntese de amidas, bem como de ácidos e ésteres borônicos, derivados dos aminoácidos L-cistina e L-cisteína, através de rota sintética simples, curta e de baixo custo, com o intuito de busca e a identificação de novo(s) inibidor(es) do proteassomo 20S. Esta classe de compostos possui estrutura que permite a inserção de diversos grupos funcionais, o que confere versatilidade e a construção de biblioteca de compostos que contém partes hidrofílicas e hidrofóbicas importantes para posterior avaliação inibitória. Para tanto, empregou-se rota sintética química convencional e rota biocatalisada para a formação da ligação amida. Os compostos derivados de L-cisteína foram obtidos via síntese clássica de peptídeos a qual forneceu os compostos desejados em rendimentos de até 85%. Por outro lado, tentativas de obtenção das amidas via biocatálise não se mostraram efetivas. Já amidas derivadas de L-cistina foram obtidas em rendimentos de até 79%, via síntese tradicional e até 100% de conversão através de rota biocatalítica. A inserção do átomo de boro nas estruturas se deu utilizando-se metodologias sintéticas já bem estabelecidas na literatura. Os ésteres borônicos derivados de L-cisteína foram obtidos em bons rendimentos (até 78%), enquanto que não foi possível obter-se compostos de boro derivados de L-cistina. Por sua vez, os compostos contendo ácido borônico na estrutura foram sintetizados via reação de hidrólise dos respectivos ésteres borônicos, em rendimentos moderados (até 34%). Após a obtenção dos compostos contendo grupamentos organoboro realizou-se avaliação inibitória dos mesmos frente ao proteassomo 20S. Valores de IC50 iguais a 52 µM foram obtidos para composto derivado de L-cisteína contendo grupamento éster borônico, que se mostraram inibidores moderados e reversíveis. Ácidos borônicos se mostraram sem capacidade de inibir o proteassomo 20S. Adicionalmente, realizaram-se estudos de modelagem molecular com a finalidade de elucidar os resultados obtidos experimentalmente. Inicialmente realizaram-se cálculos de modelagem molecular através da realização de docking de alguns compostos e após geração de modelo farmacofórico. De maneira geral observou-se que os inibidores derivados da L-cisteína não ocupam a mesma cavidade que o fármaco bortezomibe, o que pode explicar a diferença na atividade dos compostos frente à inibição do proteassomo 20S. Também se observou que, tendo-se a interação dos inibidores com a enzima, a vizinhança do átomo de boro tem grande influência na capacidade inibitória, uma vez que estes grupamentos determinam qual a região da cavidade do proteassomo 20S será ocupada pelo inibidor. / In our study, amides, boronic acids and esters derivatives from L-cysteine and L-cysteine were synthesized by simple, short and inexpensive synthetic route, in order to search for new inhibitor(s) of the 20S proteasome. This class of compounds has a structure that allows inclusion of various functional groups, giving it versatility and allowing the construction of library compounds containing hydrophilic and hydrophobic moieties, important for further evaluation. To this end, we used conventional chemical synthetic route and biocatalysis for peptide bond formation. The compounds derived from L-cysteine were obtained by classical synthesis of peptides which provided the desired compounds up to 85% yields. On the other hand, attempts to obtain the amides via biocatalysis were not effective. However, amides derived from L-cystine were obtained with up to 79% yields via chemical synthesis and conversion up to 100% using biocatalytic route. The insertion of the boron atom in the structures was possible using synthetic methodologies well established in literature. Boronic esters derived from L-cysteine were obtained in good yields (up to 78%), whereas it was not possible to obtain boron compounds derived from L-cystine. In turn, compounds containing boronic acids in the structure were synthesized by hydrolysis reaction of the respective boronic esters in moderate yields (up to 34%). With organoboron compounds in hand, we turned our attention to inhibitory assessment against the 20S proteasome. IC50 up to 52 µM were obtained when L-cysteine boronic ester derivatives were evaluated. These compounds are moderate and reversible inhibitors. L-cysteine boronic acids derivatives have shown not ability to inhibit the 20S proteasome. Additionally, molecular modeling studies were carried out in order to elucidate the results obtained experimentally. Initially molecular modeling calculations were carried out by performing docking experiments of some compounds. Generation of pharmacophoric model calculations was also executed. In general, it was observed that inhibitors derived from L-cysteine do not occupy the same cavity that drug bortezomib, which may explain the difference in the activity of compounds against the inhibition of 20S proteasome. We also observed that, with the interaction of inhibitors and enzyme, the side chains around boron atom has a great influence on inhibitory capacity, since these groups determine which region of the 20S proteasome cavity is occupied by the inhibitor.

Orientadores: Stephen Hyslop, Maria Cristina Cintra Gomes Marcondes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-11T19:23:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Saccon_CassiaMariaToledo_M.pdf: 7279478 bytes, checksum: eb7fda24e7d486cd0267a344badc1b36 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O acidente causado por serpentes botrópicas produz intensa hemorragia e mionecrose local, com perda e degradação tecidual. Neste trabalho, investigamos as atividades do proteossomo (via seletiva da degradação protéica), catepsinas (proteases lisossomais) e calpaína (protease neutra dependente de cálcio) no envenenamento causado por peçonha de Bothrops jararacussu. Também analisamos a capacidade do MG-132, inibidor proteossômico, em atenuar os efeitos causados pela peçonha. A peçonha (25 µg e 75 µg) foi injetada em músculo gastrocnêmio de camundongos, que foram sacrificados 1, 3, 6, 12, 24, 48, 72 h e 7, 14, 21, 28 dias após o envenenamento. Os músculos tratados e contralaterais foram retirados e processados para histologia e para ensaios fluorimétricos e colorimétricos das enzimas e o sangue foi coletado para quantificação da creatina quinase (CK, indicador da mionecrose). A peçonha de B. jararacussu causou hemorragia e mionecrose (fase 1, até 6 h a 12 h pós-envenenamento - p.e.), a presença de infiltrado inflamatório e desencadeou a formação de miotubos e mioblastos (fase 2, de 12 h a 72 h p.e.) e o aparecimento de células regenerativas com maior deposição de colágeno ao redor dessas células (fase 3, 7-28 dias p.e.). De modo geral, as alterações mais marcantes ocorreram com a dose maior da peçonha. O dano tecidual agudo foi confirmado pelo aumento nos níveis plasmáticos de CK entre 1 h e 6 h p.e., com pico em 3 h. Houve redução na concentração de aminoácidos livres do músculo durante as primeiras 24 h, seguida por retorno a níveis normais. Também houve redução significativa na atividade proteossomal (até 48 h) nos músculos envenenados seguida por recuperação e aumento significativo em alguns períodos da regeneração. Nesses períodos de regeneração, houve aumento da expressão das subunidades 20Sa e 11S do proteossomo, principalmente com a dose maior da peçonha. O inibidor proteossômico diminuiu a atividade quimiotripsina e o número de células regenerativas, mas esses efeitos também foram observados no grupo que recebeu apenas o veículo do inibidor (DMSO). A calpaína foi ativada nas primeiras 6 h após o envenenamento somente com a dose maior da peçonha. As catepsinas (B e H) exibiram ativação significativa no período de regeneração (de 48 h até 28 dias) nas duas doses aplicadas. Esses resultados indicam que a peçonha de B. jararacussu afetou diferencialmente as vias proteolíticas estudadas. É possível que a calpaína esteja envolvida na fase 1 do dano tecidual e que as catepsinas estejam relacionadas à presença de infiltrado inflamatório (fase 2) ou à regeneração (fase 3). O proteossomo parece não estar relacionado à fase aguda de degradação tecidual, mas pode estar envolvido na regeneração muscular embora isso ainda precise ser confirmado / Abstract: Bites by Bothrops snakes produce intense local hemorrhage and myonecrosis, often with extensive tissue degradation. In this work, we investigated the activities of the proteasome (pathway for selective protein degradation), cathepsins (lysosomal proteinases) and calpains (neutral, calcium-dependent proteinases) in envenoming by Bothrops jararacussu. We also examined the ability of MG-132, a proteasome inhibitor, to attenuate the venom-induced effects. Mice were injected with venom (25 µg or 75 µg) in the left gastrocnemius muscle and then killed 1, 3, 6, 12, 24, 48, 72 h and 7, 14, 21 and 28 days post-venom. The venom-injected and contralateral muscles were removed and processed for histological analysis or enzymatic assays using fluorimetric or colorimetric substrates. Blood was also collected for the quantification of plasma creatine kinase (CK, an indicator of myonecrosis). Bothrops jararacussu venom caused hemorrhage and necrosis (phase 1, up to 6-12 h post-venom), an inflammatory cell infiltrate and it generated the formation of myotubes and myoblasts (phase 2, 12-72 h post-venom), and the appearance of regenerative cells with increase of collagen deposition around these cells (phase 3, 7-28 days post-venom). The alterations were generally more marked with the higher dose of venom. The early tissue damage was confirmed by an increase in plasma CK levels 1-6 h post-venom, with a peak at 3 h. The muscle content of free amino acids decreased during the first 24 h, followed by a return to normal levels. Proteasomal activity was significantly inhibited for up to 48 h post-venom, followed by recuperation and a significant increase during muscle regeneration. During regeneration, there was also an increase in the expression of the 20Sa and 11S proteasomal subunits, mainly with the highest dose of venom. The proteasomal inhibitor reduced the chymotrypsin activity of the proteasome and the number of regenerating cells, but these effects were also seen in mice that received vehicle (DMSO) alone. The highest dose of venom caused an increase in calpain activity in the first 6 h whereas both of the venom doses significantly increased the activities of cathepsins B and H during the regeneration phase (48 h¿28 days post-venom). These results indicate that B. jararacussu venom differentially affects the proteolytic activities studied. Calpain may be involved in phase 1 of tissue damage and cathepsin activity may be related to the presence of an inflammatory infiltrate (phase 2) and/or regeneration (phase 3). The lack of proteasomal activation in the early stages of envenoming suggests that this proteolytic pathway is not involved in early venom-induced muscle damage. However, the involvement of proteasomal activity during muscle regeneration remains to be established. / Mestrado / Bioquimica / Mestre em Biologia Funcional e Molecular

O proteassomo é um complexo proteico responsável pela degradação de proteínas poli-ubiquitinadas. É constituído por uma unidade catalítica denominada de proteassomo 20S (20SPT) e por unidades regulatórias (19S) acopladas em uma ou ambas as extremidades para formar o proteassomo 26S. O 20SPT é capaz de degradar proteínas por um processo independente de ATP e ubiquitina. Este mecanismo é considerado preventivo de agregação proteica, uma vez que o acúmulo de proteínas oxidadas está diretamente associado ao envelhecimento e doenças neurodegenerativas. Foi observado pelo grupo que o 20SPT da levedura S.cerevisiae sofre S-glutatiolação nos resíduos de Cys 76 e Cys 221 da subunidade 5. Dados obtidos por microscopia eletrônica de transmissão mostraram que a S-glutatiolação promove a abertura da câmara catalítica e consequentemente o aumento da degradação de proteínas. Recentemente, foram obtidas linhagens com mutações sítio-específicas pela substituição dos dois resíduos de Cys glutatioláveis pela Ser. Ensaios realizados com a linhagem C221 mostraram um aumento da longevidade e resistência ao estresse oxidativo quando comparada com a linhagem selvagem, enquanto que a linhagem C76 mostrou uma dificuldade no crescimento. Foi verificado também que a população de proteassomo isolada da linhagem C221 apresenta maior proporção da forma aberta da câmara catalítica. Resultados opostos foram observados na linhagem C76S. No entanto, constatamos um aumento de proteínas oxidadas e de agregados proteicos na linhagem C221 em comparação a selvagem. Esses dados não condizem com o aumento do tempo de vida cronológico desta linhagem, porém acreditamos que esses agregados estejam relacionados a um tipo de sequestro de proteínas potencialmente prejudiciais, como será discutido neste trabalho. / The proteasome is a protein complex responsible for the degradation of poly-ubiquitinated proteins. It comprises a catalytic unit called 20S proteasome (20SPT) and regulatory units (19S) coupled at one or both ends to form the 26S proteasome. The 20SPT is able to degrade proteins by an ATP and ubiquitin independent process. This mechanism is considered preventive of protein aggregation, since the accumulation of oxidized proteins is directly related to aging and neurodegenerative diseases. It was observed by our group that the yeast 20SPT (S. cerevisiae) is modified by S-glutathiolation in the residues Cys 76 and Cys 221 of the 5 subunit. Data obtained by transmission electron microscopy showed that the S-glutathiolation promotes the opening of the catalytic chamber and consequently increased degradation of oxidized proteins. Recently, strains were obtained by site-specific mutations by replacing the two glutathiolable Cys residues by Ser. Tests performed with the C221 strain showed an increased longevity and resistance to oxidative stress when compared to the wild type strain, whereas the C76 strain showed a slower growth. It was also found that the isolated population of the 5-C221S proteasome presents the highest frequency of open catalytic chamber conformation. Opposite results were observed in the C76S lineage. However, we noted an increased pool of oxidized proteins and protein aggregates in the C221 strain compared to the wild type. These data do not match with the increase of chronological life span observed in this lineage, but we believe that these aggregates are related to a kind of \"sequestration\" of potentially damaging proteins, as will be discussed in this work.

Neste trabalho foi realizada a síntese de amidas, bem como de ácidos e ésteres borônicos, derivados dos aminoácidos L-cistina e L-cisteína, através de rota sintética simples, curta e de baixo custo, com o intuito de busca e a identificação de novo(s) inibidor(es) do proteassomo 20S. Esta classe de compostos possui estrutura que permite a inserção de diversos grupos funcionais, o que confere versatilidade e a construção de biblioteca de compostos que contém partes hidrofílicas e hidrofóbicas importantes para posterior avaliação inibitória. Para tanto, empregou-se rota sintética química convencional e rota biocatalisada para a formação da ligação amida. Os compostos derivados de L-cisteína foram obtidos via síntese clássica de peptídeos a qual forneceu os compostos desejados em rendimentos de até 85%. Por outro lado, tentativas de obtenção das amidas via biocatálise não se mostraram efetivas. Já amidas derivadas de L-cistina foram obtidas em rendimentos de até 79%, via síntese tradicional e até 100% de conversão através de rota biocatalítica. A inserção do átomo de boro nas estruturas se deu utilizando-se metodologias sintéticas já bem estabelecidas na literatura. Os ésteres borônicos derivados de L-cisteína foram obtidos em bons rendimentos (até 78%), enquanto que não foi possível obter-se compostos de boro derivados de L-cistina. Por sua vez, os compostos contendo ácido borônico na estrutura foram sintetizados via reação de hidrólise dos respectivos ésteres borônicos, em rendimentos moderados (até 34%). Após a obtenção dos compostos contendo grupamentos organoboro realizou-se avaliação inibitória dos mesmos frente ao proteassomo 20S. Valores de IC50 iguais a 52 µM foram obtidos para composto derivado de L-cisteína contendo grupamento éster borônico, que se mostraram inibidores moderados e reversíveis. Ácidos borônicos se mostraram sem capacidade de inibir o proteassomo 20S. Adicionalmente, realizaram-se estudos de modelagem molecular com a finalidade de elucidar os resultados obtidos experimentalmente. Inicialmente realizaram-se cálculos de modelagem molecular através da realização de docking de alguns compostos e após geração de modelo farmacofórico. De maneira geral observou-se que os inibidores derivados da L-cisteína não ocupam a mesma cavidade que o fármaco bortezomibe, o que pode explicar a diferença na atividade dos compostos frente à inibição do proteassomo 20S. Também se observou que, tendo-se a interação dos inibidores com a enzima, a vizinhança do átomo de boro tem grande influência na capacidade inibitória, uma vez que estes grupamentos determinam qual a região da cavidade do proteassomo 20S será ocupada pelo inibidor. / In our study, amides, boronic acids and esters derivatives from L-cysteine and L-cysteine were synthesized by simple, short and inexpensive synthetic route, in order to search for new inhibitor(s) of the 20S proteasome. This class of compounds has a structure that allows inclusion of various functional groups, giving it versatility and allowing the construction of library compounds containing hydrophilic and hydrophobic moieties, important for further evaluation. To this end, we used conventional chemical synthetic route and biocatalysis for peptide bond formation. The compounds derived from L-cysteine were obtained by classical synthesis of peptides which provided the desired compounds up to 85% yields. On the other hand, attempts to obtain the amides via biocatalysis were not effective. However, amides derived from L-cystine were obtained with up to 79% yields via chemical synthesis and conversion up to 100% using biocatalytic route. The insertion of the boron atom in the structures was possible using synthetic methodologies well established in literature. Boronic esters derived from L-cysteine were obtained in good yields (up to 78%), whereas it was not possible to obtain boron compounds derived from L-cystine. In turn, compounds containing boronic acids in the structure were synthesized by hydrolysis reaction of the respective boronic esters in moderate yields (up to 34%). With organoboron compounds in hand, we turned our attention to inhibitory assessment against the 20S proteasome. IC50 up to 52 µM were obtained when L-cysteine boronic ester derivatives were evaluated. These compounds are moderate and reversible inhibitors. L-cysteine boronic acids derivatives have shown not ability to inhibit the 20S proteasome. Additionally, molecular modeling studies were carried out in order to elucidate the results obtained experimentally. Initially molecular modeling calculations were carried out by performing docking experiments of some compounds. Generation of pharmacophoric model calculations was also executed. In general, it was observed that inhibitors derived from L-cysteine do not occupy the same cavity that drug bortezomib, which may explain the difference in the activity of compounds against the inhibition of 20S proteasome. We also observed that, with the interaction of inhibitors and enzyme, the side chains around boron atom has a great influence on inhibitory capacity, since these groups determine which region of the 20S proteasome cavity is occupied by the inhibitor.

Muitos genes têm sido indicados como responsivos ao estresse genotóxico, mas devido à necessidade de validação, a busca por marcadores gênicos continua. Vários genes são relacionados ao sistema ubiquitina-proteassomo (UPS), o qual é responsável pela remoção seletiva de proteínas, sendo que falhas no UPS têm sido relacionadas a doenças neurodegenerativas e ao câncer. Assim, o presente trabalho teve como objetivo a busca e confirmação de marcadores gênicos de resposta ao estresse genotóxico, por meio do estudo da expressão transcricional e protéica dos genes ERN1, EIF2AK3, GADD153 e TRAF2, visando à confirmação das respostas em linhagens de fibroblastos (GM07492A e AS405) e de glioblastoma (U87MG), sob tratamentos com peróxido de hidrogênio (H2O2) e Bleomicina (Blm). Foram utilizados o Ensaio Cometa, a análise de expressão gênica transcricional por qPCR em tempo real e de expressão gênica ao nível protéico (imunofluorescência). Os resultados mostraram que os tratamentos empregados foram capazes de induzir danos no DNA, sendo que a sensibilidade ao tratamento e a capacidade de recuperação das linhagens foi variável dependendo do agente testado. A análise de expressão gênica mostrou que GM07492A apresentou indução dos genes ERN1 e GADD153 após tratamento com H2O2 (resposta precoce, zero e 2 h) e Blm (durante todo pós-tratamento). A linhagem AS405 exibiu indução de ERN1 e GADD153 para H2O2, enquanto que para Blm foram induzidos os genes EIF2AK3 e GADD153. Para U87MG, a indução de EIF2AK3 pelo H2O2 ocorreu de modo tardio, enquanto GADD153 mostrou-se induzido após ambos os tratamentos. A proteína ERN1 apresentou expressão discreta e pontual, inclusive nos pontos onde não houve indução transcricional, indicando uma expressão basal. Essa proteína se expressou em GM07492A no tratamento com Blm em zero hora, diferentemente de AS405. Para U87MG tratada com H2O2 observou-se discreta expressão de ERN1, sendo mais evidente para Blm. Quanto à proteína GADD153, esta foi expressa em fibroblastos nos vários tempos analisados. No entanto, U87MG mostrou expressão nuclear apenas nas células tratadas, sendo mais evidente para H2O2 comparativamente à Blm. Assim, as alterações observadas nos perfis de expressão gênica são compatíveis com a indução de danos no DNA, indicando o envolvimento de genes do UPS nas respostas celulares ao estresse genotóxico. Em conjunto, os resultados estimulam uma avaliação mais detalhada desses genes como marcadores de resposta ao estresse e evidencia a sua importância no cenário da via UPS. / Many genes have been reported as responsive to genotoxic stress, but due to the need of validation, the search for genetic markers still continues. Several genes are related to the ubiquitin-proteasome system (UPS), which is responsible for the selective removal of proteins, and UPS failures have been associated to neurodegenerative diseases and cancer. Thus, this study aimed the search and confirmation of genetic markers that were responsive to genotoxic stress. For this, we evaluated the transcriptional or protein expression of the genes ERN1, EIF2AK3, GADD153 and TRAF2, seeking confirmation of responses in fibroblast cell lines (GM07492A and AS405) and glioblastoma (U87MG) under treatment with hydrogen peroxide (H2O2) and bleomycin (BLM). We used the Comet Assay, the transcriptional analysis of gene expression by quantitative real-time PCR and protein expression byimmunofluorescence. The results showed that the treatments employed were able to induce DNA damage, and that cell sensitivity to treatments and recovery capability of cell lines varied according to the tested agent. The gene expression analysis showed that GM07492A presented induction of ERN1 and GADD153 genes after treatment with H2O2 (early response, zero and 2 h) and Blm (throughout the post-treatment). The cell line AS405 showed induction of GADD153 and ERN1 after H2O2, whereas with Blm the genes induced were EIF2AK3 and GADD153. For U87MG, the induction of EIF2AK3 by H2O2 occurred at a later stage, while GADD153 was promptly induced after both treatments. The protein ERN1 showed discreet and punctual expression, even at time point without transcriptional induction, indicating a basal expression. This protein was expressed in GM07492A by treatment with Blm at zero hour, differently of AS405. For U87MG treated with H2O2, ERN1 showed a slight expression, being more evident for Blm. Regarding GADD153, protein expression was observed in fibroblasts at all time point. However, U87MG showed nuclear expression only in cells treated with H2O2, being more evident that in BLM-treated cells. Thus, the observed changes in gene expression profiles are consistent with the induction of DNA damage, which indicates the participation of UPS genes in cellular responses to genotoxic stress. Together, the results encourage further evaluation of these genes as markers of stress response, demonstrating its importance in the UPS acting scope.