Introdução: As proteinases tem um papel importante no desenvolvimento, na destruição tecidual e na produção de muco causada pela DPOC. O inibidor de proteinase de origem vegetal Enterolobium contortisiliquum Tripsin Inhibitor (EcTI) inibe tanto as proteinases da classe serina quanto da classe cisteína. Objetivos: Avaliar os efeitos do tratamento com EcTI nas alterações pulmonares induzidas pela elastase em camundongos. Métodos: Camundongos C57Bl6 receberam elastase via intratraqueal (50 uL/animal, grupo ELA) ou salina (grupo SAL). Os camundongos foram tratados com EcTI (2mg/kg) nos dias 1, 15 e 21 após a instilação de elastase (grupo ELA-EcTI) ou salina (grupo SAL-EcTI). No dia 28 do protocolo, os animais foram anestesiados, a mecânica pulmonar foi medida e o óxido nítrico exalado coletado. Posteriormente, foi realizado o lavado broncoalveolar e os pulmões foram removidos para a preparação de lâminas de histoquímica e imunohistoquímica. Por meio de morfometria analisamos o número de células positivas para neutrófilos, TNF-alfa, MMP-9, MMP-12, TIMP-1, iNOS, eNOS assim como a fração de volume de 8-iso-PGF2alfa, fibras colágenas e elásticas, nos septos alveolares e nas vias aéreas. Também foram avaliados o número de células positivas para macrófagos nos septos alveolares e MUC5ac nas vias aéreas. Resultados: O inibidor de proteinase EcTI reduziu as alterações de mecânica pulmonar (Ers, Htis e Raw), destruição do septo alveolar (Lm) e o número de células no lavado broncoalveolar (células totais, macrófagos, neutrófilos, linfócitos e eosinógilos) induzidos pela elastase. Em relação a resposta inflamatória, o EcTI reduziu o número de neutrófilos e de células TNFalfa positivas no septo alveolar e nas vias aéreas além de reduzir o número de macrófagos no septo alveolar. Considerando o remodelamento de matriz extracelular, o inibidor de proteinase atenuou a fração de volume de fibras colágenas e o número de células MMP-9 e MMP-12 positivas nos septos alveolares e nas vias aéreas. Além disso, nas vias aéreas ocorreu uma atenuação da fração de volume de fibras elásticas, e nos septos alveolares uma atenuação da quantidade de células que expressam TIMP-1. Em relação a resposta de estresse oxidativo, o EcTI reduziu a fração de volume de isoprostano e o número de células iNOS e eNOS positivas tanto nos septos alveolares quanto nas vias aéreas. O EcTI também reduziu o número de células MUC5ac positivas nas vias aéreas. Conclusões: O tratamento como inibidor EcTI modulou a mecânica pulmonar e reduziu as alterações inflamatórias, de remodelamento e de estresse oxidativo induzidas pela elastase intratraqueal. Embora sejam necessários mais estudos para elucidar os mecanismos envolvidos neste processo, o inibidor de proteinase EcTI pode ser considerado como um potencial instrumento terapêutico para o tratamento da DPOC / Background: Proteinases play a key role on emphysema development, tissue destruction and mucus production. Enterolobium contortisiliquum Tripsin Inhibitor (EcTI) is a proteinase inhibitor from plant that neutralizes serine and cysteine proteinases. Aims: To evaluated the effects of the EcTI treatment in pulmonary alterations induced by elastase in mice. Methods: C57Bl6 mice received elastase intratracheally (50 uL/animal, ELA group) or saline (SAL group). Afterwards, mice were treated with EcTI (2 mg/kg) at days 1, 15 and 21 after elastase instillation (ELA-EcTI group). Control group received saline and EcTI using the same protocol (SAL-EcTI group). At day 28, mice were anesthetized, respiratory mechanics were collected, and exhaled nitric oxide were analyzed. Afterwards, broncoalveolar lavage fluid was obtained and lungs were removed to perform histochemistry and immunohistochemistry stains. By morphometry, the number of neutrophils, TNF-alfa, MMP-9, MMP-12, TIMP-1, iNOS, eNOS positive cells as well as the volume proportion of 8-iso-PGF2alfa, collagen and elastic fibers content in alveolar septum and airways walls were performed. In airways walls, we also analyzed the number of MUC-5 positive cells and the number of macrophages. Results: The proteinase inhibitor EcTI was able to reduce the pulmonary mechanical alterations (Ers, Htis and Raw), alveolar septum disruption (Lm) and the BAL cell count (total cells, macrophages, neutrophils, lymphocytes and eosinophils) induced by elastase. Regarding the inflammatory response, EcTI also reduced the number of neutrophils and TNFalfa positive cells in both alveolar septum and airway walls, and also reduced the number of macrophages in alveolar septum. Considering the extracellular matrix remodeling, the proteinase inhibitor attenuated the volume fraction of collagen fibers, MMP-9 and MMP-12 positive cells in both alveolar septum and airway walls. Besides, in airway there were attenuation in the volume fraction of elastic fibers, and in the alveolar septa a decrease of the amount of the cells expressing TIMP-1. Regarding the oxidative stress response, EcTI reduced the volume fraction of isoprostane and the number of iNOS and eNOS positive cells in both airways walls and alveolar septa, Finally, EcTI reduced the number of MUC5ac positive cells in airway walls. Conclusions: The treatment with EcTI modulated lung mechanics and reduced inflammatory, remodeling and oxidative stress alterations induced by elastase. Although more studies need to be performed to elucidate the mechanisms involved in this process, we may considerate EcTI as a potential therapeutic tool for COPD management

Os inibidores inibidores de serino proteinases do tipo Bowman-Birk (BBI) possuem dois sítios ativos e são encontrados em plantas das famílias Fabaceae e Poaceae. Neste trabalho foi apresentada a estrutura primária e o padrão de expressão de 14 seqüências expressas (EST, expressed sequence tags) de BBI putativos encontradas no banco de dados do "Projeto Transcriptoma da Cana-de-açúcar" (SUCEST). Estas quatorze seqüências foram utilizadas em conjunto com outras 87 seqüências de BBI previamente descritas e depositadas no banco de dados "GenBank" para a construção de árvores filogenéticas da família BBI. A análise filogenética mostrou que os BBI de monocotiledôneas e dicotiledôneas podem ser claramente separados em diferentes grupos e a topologia das árvores filogenéticas sugere um padrão evolutivo diferente das famílias de BBI em plantas. Os inibidores de dicotiledôneas são bem conservados e acumularam diferenças sutis durante a evolução. Em contrapartida, os inibidores de monocotiledôneas são altamente variáveis, indicando a ocorrência de um processo evolutivo interessante, baseado em eventos de duplicação intragênica e mutação. Dois inibidores de serino proteinases, um de tripsina e outro de quimotripsina, derivados do gene que codifica o inibidor Bowman-Birk de soja, foram expressos na superfície do fago filamentoso M13 e utilizados para a construção de bibliotecas de variantes. Para tal foram feitas mutações em quatro aminoácidos do sítio ativo destes inibidores e duas bibliotecas de expressão na superfície de fagos filamentosos foram construídas. Posteriormente, estas bibliotecas foram utilizadas para a seleção de variantes que melhor interagiam com a tripsina bovina e de Diatraea saccharalis e com as enzimas digestivas presentes no extrato intestinal desta praga. Os variantes selecionados foram seqüenciados, analisados e caracterizados. Os resultados mostraram que a técnica de expressão na superfície de fagos filamentosos foi eficiente para selecionar novos inibidores. Além disto, com as mutações realizadas, foi possível transformar a alça de inibição de quimotripsina em uma alça de inibição de tripsina. / The Bowman-Birk inhibitors (BBIs) are double headed inhibitors of serine proteinase found in plants from Fabaceae and Poaceae families. We describe the primary structure and the gene expression profile of 14 putative BBIs from the sugarcane expressed sequence tag (SUCEST) database and show how we used these newly discovered sequences together with 87 previously described BBI sequences from the "GenBank" database to construct phylogenetic trees for the BBI family. Phylogenetic analysis revealed that BBI-type inhibitors from monocotyledonous and dicotyledonous plants could be clearly separated into different groups, while the overall topology of the BBI tree suggests a different pattern of evolution for BBI families in flowering plants. We also found that BBI proteinase inhibitors from dicotyledonous plants were well conserved, accumulating only slight differences during their evolution. In addition, we found that BBIs from monocotyledonous plants were highly variable, indicating an interesting process of evolution based on internal gene duplications and mutation events. Two serine-type proteinase inhibitors, a trypsin and a chymotrypsin, both derived from the soybean Bowman-Birk inhibitor, were expressed on the surface of a filamentous phage. Site mutations were made in four positions of the reactive sites of these inhibitors and two phage-display libraries were constructed. Later, these libraries were used to select better ligands to the bovine and Diatraea saccharalis trypsin and to the midgut enzymes of this insect pest. The selected variants were sequenced, analyzed and characterized. The results showed that the phage-display technique is efficient to select new proteinase inhibitors. Furthermore, it was possible to modify the chymotrypsin loop into a trypsin loop using the library constructed by the insertion of a degenerated primer.

Os inibidores inibidores de serino proteinases do tipo Bowman-Birk (BBI) possuem dois sítios ativos e são encontrados em plantas das famílias Fabaceae e Poaceae. Neste trabalho foi apresentada a estrutura primária e o padrão de expressão de 14 seqüências expressas (EST, expressed sequence tags) de BBI putativos encontradas no banco de dados do "Projeto Transcriptoma da Cana-de-açúcar" (SUCEST). Estas quatorze seqüências foram utilizadas em conjunto com outras 87 seqüências de BBI previamente descritas e depositadas no banco de dados "GenBank" para a construção de árvores filogenéticas da família BBI. A análise filogenética mostrou que os BBI de monocotiledôneas e dicotiledôneas podem ser claramente separados em diferentes grupos e a topologia das árvores filogenéticas sugere um padrão evolutivo diferente das famílias de BBI em plantas. Os inibidores de dicotiledôneas são bem conservados e acumularam diferenças sutis durante a evolução. Em contrapartida, os inibidores de monocotiledôneas são altamente variáveis, indicando a ocorrência de um processo evolutivo interessante, baseado em eventos de duplicação intragênica e mutação. Dois inibidores de serino proteinases, um de tripsina e outro de quimotripsina, derivados do gene que codifica o inibidor Bowman-Birk de soja, foram expressos na superfície do fago filamentoso M13 e utilizados para a construção de bibliotecas de variantes. Para tal foram feitas mutações em quatro aminoácidos do sítio ativo destes inibidores e duas bibliotecas de expressão na superfície de fagos filamentosos foram construídas. Posteriormente, estas bibliotecas foram utilizadas para a seleção de variantes que melhor interagiam com a tripsina bovina e de Diatraea saccharalis e com as enzimas digestivas presentes no extrato intestinal desta praga. Os variantes selecionados foram seqüenciados, analisados e caracterizados. Os resultados mostraram que a técnica de expressão na superfície de fagos filamentosos foi eficiente para selecionar novos inibidores. Além disto, com as mutações realizadas, foi possível transformar a alça de inibição de quimotripsina em uma alça de inibição de tripsina. / The Bowman-Birk inhibitors (BBIs) are double headed inhibitors of serine proteinase found in plants from Fabaceae and Poaceae families. We describe the primary structure and the gene expression profile of 14 putative BBIs from the sugarcane expressed sequence tag (SUCEST) database and show how we used these newly discovered sequences together with 87 previously described BBI sequences from the "GenBank" database to construct phylogenetic trees for the BBI family. Phylogenetic analysis revealed that BBI-type inhibitors from monocotyledonous and dicotyledonous plants could be clearly separated into different groups, while the overall topology of the BBI tree suggests a different pattern of evolution for BBI families in flowering plants. We also found that BBI proteinase inhibitors from dicotyledonous plants were well conserved, accumulating only slight differences during their evolution. In addition, we found that BBIs from monocotyledonous plants were highly variable, indicating an interesting process of evolution based on internal gene duplications and mutation events. Two serine-type proteinase inhibitors, a trypsin and a chymotrypsin, both derived from the soybean Bowman-Birk inhibitor, were expressed on the surface of a filamentous phage. Site mutations were made in four positions of the reactive sites of these inhibitors and two phage-display libraries were constructed. Later, these libraries were used to select better ligands to the bovine and Diatraea saccharalis trypsin and to the midgut enzymes of this insect pest. The selected variants were sequenced, analyzed and characterized. The results showed that the phage-display technique is efficient to select new proteinase inhibitors. Furthermore, it was possible to modify the chymotrypsin loop into a trypsin loop using the library constructed by the insertion of a degenerated primer.

Orientador: Prof. Dr. Sergio Daishi Sasaki / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Biossistemas, São Bernardo do Campo, 2018. / A doença pulmonar obstrutiva crônica é uma doença caracterizada por progressiva limitação do fluxo aéreo e suas principais manifestações são a bronquite crônica e o enfisema pulmonar. O quadro é geralmente irreversível e engloba uma série de processos que incluem a resposta inflamatória anormal dos pulmões com participação ativa de macrófagos, neutrófilos e linfócitos, a falha na reparação de células anormais, a apoptose precoce e a destruição da matriz extracelular ocasionada pelo desequilíbrio entre proteases e antiproteases, sendo esse desequilíbrio apontado como um dos principais mecanismos que levam à instalação da doença. O tabagismo é a principal causa atribuída ao seu aparecimento, seguida por fatores genéticos e ambientais. Algumas enzimas estão relacionadas ao processo de patogênese da DPOC como a elastase de neutrófilos humana e as metaloproteinases 9 e 12. Em trabalhos anteriores o uso do inibidor de serinoproteases rBmTI-A, inibidor do tipo Kunitz-BPTI, resultou na prevenção do enfisema pulmonar por meio do controle da resposta inflamatória comumente observada, além de redução da atividade proteolítica presente no lavado broncoalveolar. Nesse trabalho, o objetivo inicial foi dar prosseguimento à pesquisa com rBmTI-A, com a caracterização da expressão gênica diferencial no modelo de enfisema animal utilizando camundongos, indução realizada com a administração de elastase pancreática porcina (PPE); para isso foi utilizado o ensaio de micro arranjo de DNA (Microarray). Os ensaios de Microarray resultaram na identificação de genes que respondem ao tratamento nos animais induzidos ao enfisema e que receberam o tratamento com rBmTI-A, dentre estes genes estão: genes do sistema imune e inflamação, genes da contração muscular, genes da tradução em mitocôndria e genes de outras funções celulares. Na segunda parte do trabalho, o inibidor de serinoproteases rBmTI-6-D1, inibidor Kunitz-BPTI, foi aplicado no modelo de enfisema pulmonar em camundongos, resultados obtidos previamente já haviam mostrado que rBmTI-6 também apresenta a capacidade de prevenir o desenvolvimento do enfisema induzido por PPE, neste trabalho mostramos que o tratamento utilizando rBmTI-6-D1 evita a perda do recolhimento elástico dos pulmões dos animais induzidos ao enfisema, bem como também evita a degradação alveolar, e o aumento do número de macrófagos e linfócitos nos lavados broncoalveolares dos animais que receberam tratamento em comparação com os que não receberam. Também foi demonstrado que rBmTI-6 evita o aumento de atividade proteolítica (calicreínas e elastase de neutrófilos) no lavado broncoalveolar de animais tratados com o inibidor e induzidos ao enfisema em comparação aos controles. Na terceira parte do trabalho, foram realizados ensaios em cultura de células A549 para investigar o potencial anti-inflamatório dos inibidores rBmTI-A, rBmTI-6-D1 e rBmTI-6-D2/3, a aplicação dos inibidores nestas células mostrou um aparente papel antiinflamatório por meio da diminuição da secreção das citocinas IL-6 e IL-8, no tratamento utilizando rBmTI-6-D1 e rBmTI-6-D2/3. Concluímos que os inibidores rBmTI-A e rBmTI-6 apresentam atividade que previne o desenvolvimento do enfisema induzido por PPE, devido às atividades antiproteases destes inibidores e por interferirem na resposta inflamatória. / Chronic obstructive pulmonary disease is characterized by progressive airflow limitation and its main manifestations are chronic bronchitis and pulmonary emphysema. It is generally irreversible and encompasses a series of processes that include the abnormal inflammatory response of the lungs with active involvement of macrophages, neutrophils and lymphocytes, failure to repair abnormal cells, early apoptosis, and destruction of the extracellular matrix caused by the imbalance between proteases and antiproteases, and this imbalance is one of the main mechanisms that lead to the establishment of the disease. Smoking is the main cause attributed to its onset, followed by genetic and environmental factors. Some enzymes are related to the pathogenesis of COPD such as human neutrophil elastase and metalloproteinases 9 and 12. In previous studies, the use of the serine proteinase inhibitor, rBmTI-A, a Kunitz- BPTI inhibitor type, resulted in the prevention of pulmonary emphysema by controlling of the inflammatory response commonly observed, as well as reducing the proteolytic activity present in bronchoalveolar lavage. In this work, the initial objective was to continue the research with rBmTI-A, with the characterization of differential gene expression in the emphysema model using mice, induced to emphysema by porcine pancreatic elastase (PPE) instillation; to reach this aim a microarray assay was performed. The microarray results in the identification of some genes which are affected by the treatment using rBmTI-A in animals that received PPE instillation previously. Among these genes were identified immune and inflammatory related genes, muscular contraction related genes, translation in mitochondria related genes and genes of other cellular functions. In the second part of this work, the serine proteinase inhibitor rBmTI-6-D1, other Kunitz-BPTI inhibitor type, was applied in the emphysema model using mice; previous results had shown that rBmTI-6 also presented the ability to avoid the emphysema development in the PPE instillation model. The present work we showed that the rBmTI-6-D1 treatment was sufficient to avoid the loss of elastic recoil, an effective decrease in alveolar enlargement and in the number of macrophages and lymphocytes in bronchoalveolar lavage fluid. Proteolytic analysis showed a significant increase in elastase activity in induced emphysema group that is controlled by rBmTI-6-D1. Kallikrein activity was decreased in the induced emphysema and inhibitor treated group when compared to induced emphysema group without treatment. In the third part of this work, assays using A549 cells were performed to investigate the anti-inflammatory potential of rBmTI-A, rBmTI- 6-D1 and rBmTI-6-D2/3 inhibitors. These inhibitors presented an apparent antiinflammatory role, due the reduced levels of IL-6 and IL-8 that were secreted by A549 cell when treated with rBmTI-6-D1 and rBmTI-6-D2/3. We concluded that rBmTI-A and rBmTI-6 inhibitors prevent the emphysema development induced by PPE, due the anti-proteinases activities of these inhibitors and by its interference in inflammatory response.