Researchers watch biomolecules at work

Method development advance allows deeper insight into cellular processes

Date: December 9, 2016

Source: University of Bonn

Summary:

Scientists have succeeded in observing an important cell protein at work. To do this, they used a method that allows to measure structural changes within complex molecules. The further developed procedure makes it possible to elucidate such processes in the cell, i.e. in the natural environment. The researchers are also providing a tool kit, which allows a wide range of molecules to be measured.

The Bonn-based scientists fitted a cytochrome molecule with a magnetic label (blue-yellow-red structure top right). In this case, part of the cytochrome (red) itself acted as a second label; no further marker was thus required. Using their method, the researchers were then able to ascertain the distance between both labels.

Credit: © AG Schiemann/Uni Bonn

Scientists at the University of Bonn have succeeded in observing an important cell protein at work. To do this, they used a method that allows to measure structural changes within complex molecules. The further developed procedure makes it possible to elucidate such processes in the cell, i.e. in the natural environment. The researchers are also providing a tool kit, which allows a wide range of molecules to be measured. Their study has now been published in the journal Angewandte Chemie International Edition.

If we want to open a Christmas season walnut, we usually use a nutcracker. In the simplest case, this consists of two arms, which move against each other around a joint and can thus exert pressure on the shell. Very simple, actually -- to understand how this kind of nutcracker works, it is sufficient for us to see it in action just once.

However, it is much more difficult to understand how cellular molecules work. They also alter their spatial structure as they work -- similar to the nutcracker, where the arms open or close. These conformational changes tell experts a great deal about the way in which the molecule fulfills its job. Unfortunately, it is very difficult to measure these kind of movements because they occur on a very small length scale. This applies even more so if one wants to investigate the structural changes in the natural cellular environment, where countless simultaneous processes make it very hard to isolate any specific information from the general noise.

The working group from the Institute for Physical and Theoretical Chemistry at the University of Bonn has now succeeded in doing this. To this end, the scientists further developed a method that has been used for many years to measure distances within large molecules. "However, this normally only works in a test tube," explains the head of the study, Prof. Olav Schiemann. "In contrast, our technique can also be used in cells."

The researchers used what is known as electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR) for their measurements. The molecule to be measured is usually given a magnetic marker at two different sites. Through radiation with microwaves, the polarity of one of these mini magnets is reversed. The magnetic field emitted by it is thus changed, which in turn influences the second mini magnet. This influence is greater the closer both markers are to each other.

"We now measure how strongly the second magnet reacts to the reverse polarity of the first," explains Schiemann. "From this, we can ascertain the distance between both markers." If -- metaphorically speaking -- both arms of the nutcracker are marked in this way, their movement against each other can be understood.

Magnetic ruler measurements

In principle, the technique is not new. "However, we have succeeded in producing a new kind of label with which we can mark a wide range of biomolecules in a site-specific way," explains Schiemann's staff member Jean Jacques Jassoy. Usually, these labels consist of radicals -- which are chemical compounds that carry a single free electron. The electron acts as a magnet during the measurement. The problem here: single electrons are highly reactive -- they try to form pairs of electrons as quickly as possible. The chemists at the University of Bonn thus used a very stable radical in their work -- a so called trityl group. They created various derivatives of this trityl radical. Each of these magnetic markers is designed to target specific sites within biomolecules and thus enables several approaches for the structural analysis of different biomolecules.

In their study, the researchers used this methodological advance to investigate a protein from the cytochrome P450 group. These proteins occur in almost all living beings and fulfill important tasks, for instance during oxidation processes in the cell. "With our method, we were able to precisely measure the distance between two areas of the cytochrome to a fraction of a millionth of a millimeter," emphasizes Schiemann´s staff member Andreas Berndhäuser.

The procedure is suitable for making biomolecule conformational changes visible in the cell. At the same time, it also generally facilitates the clarification of molecular structures. Schiemann: "We are thus providing researchers with a new tool kit that could help answer many biochemical questions."

Story Source:

Materials provided by University of Bonn. Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

J. Jacques Jassoy, Andreas Berndhäuser, Fraser Duthie, Sebastian P. Kühn, Gregor Hagelueken, Olav Schiemann.Versatile Trityl Spin Labels for Nanometer Distance Measurements on Biomolecules In Vitro and within Cells. Angewandte Chemie International Edition, 2016; DOI:10.1002/anie.201609085

Cite This Page:

University of Bonn. "Researchers watch biomolecules at work: Method development advance allows deeper insight into cellular processes." ScienceDaily. ScienceDaily, 9 December 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/12/161209100223.htm>.

Histoquímica e Citoquímica em Plantas: Princípios e Protocolos

http://cbv.fc.ul.pt/HistoquimicaPP.pdf

Figueiredo A. C., J. G. Barroso, L. G. Pedro, L. Ascensão (2007) Histoquímica e Citoquímica em Plantas: Princípios e Protocolos, Lisboa, 1ª Edição. Edição Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Centro de Biotecnologia Vegetal (ISBN: 978-972-9348-17-4).

Guia prático de biologia celular

http://cbv.fc.ul.pt/Guia_Pratico_Biologia_Celular_Versao_OnLine.pdf

Figueiredo A. C., L. G. Pedro, J. G. Barroso, M. M. Oliveira (2014) Guia prático de Biologia Celular, Lisboa, 2ª Edição, versão on line. Edição Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Centro de Biotecnologia Vegetal (ISBN: 978-989-99127-1-7).

Researchers identify possible link between the environment and puberty

Date: June 28, 2016

Source: University of Copenhagen The Faculty of Health and Medical Sciences

Summary:

A possible epigenetic link between the environment and pubertal timing has been discovered by researchers. To a large extent, pubertal timing is heritable, but the underlying genetic causes are still unexplained. Researchers have now studied how chemical modifications of the human genome (so-called epigenetic modifications) change when girls and boys enter puberty. The results indicate that such epigenetic changes are involved in defining the onset of puberty.

See more at:

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160628114122.htm

Epigenetics: New tool for precision medicine

Date: June 27, 2016

Source: CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences

Summary:

Four new papers mark the feasibility of epigenetic analysis for clinical diagnostics and precision medicine. Epigenetic analysis addresses key limitations of genetic testing, helping to ensure that patients are accurately diagnosed and treated with the right drug at the right time.

Four new papers, co-published by an international consortium of biomedical researchers, mark the feasibility of epigenetic analysis for clinical diagnostics and precision medicine. Epigenetic analysis addresses key limitations of genetic testing, helping to ensure that patients are accurately diagnosed and treated with the right drug at the right time.

Epigenetic changes occur in all cancers, and in various other diseases. Measuring these changes provides unprecedented insights into the disease mechanisms at work in individual patients, which is important for better diagnosis and patient-specific treatment decisions.

In a series of four papers led by Christoph Bock (CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences, Vienna) and Stephan Beck (University College London, UCL), an international group of scientists have validated the feasibility of epigenetic analysis for clinical applications.

Building upon years of technology development in laboratories around the world, this series of papers shows the accuracy and robustness of epigenetic tests. Going forward, clinical researchers will optimize and apply these methods for specific diseases, and it is expected that epigenetic tests will become widely used for selecting personalized treatments in cancer and other diseases.

Epigenetics refers to chemical modifications of the DNA and its associated proteins that control gene activity independent of the genetic code. These epigenetic modifications define how two meters of DNA in each human cell are folded into tiny cell nuclei.

Epigenetic modifications can be inherited during cell division, which helps maintain the ~200 cell types of the human body carrying the same genes. Moreover, epigenetic mechanisms provide an interface by which the environment influences gene activity.

In many diseases, including all cancers, the epigenetic control of the genome is heavily distorted. Measuring these alterations provides a detailed picture of the disease-specific changes, which is often informative for distinguishing disease subtypes or identifying suitable treatments. Therefore, epigenetics has much to offer for improving disease diagnosis and treatment choice.

The now published studies, which have been performed in the context of the European BLUEPRINT project and the International Human Epigenome Consortium, constitute a milestone for utilizing epigenetic information in clinical diagnostics and precision medicine.

Story Source:

The above post is reprinted from materials provided by CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences.Note: Materials may be edited for content and length.

Journal References:

André F. Rendeiro, Christian Schmidl, Jonathan C. Strefford, Renata Walewska, Zadie Davis, Matthias Farlik, David Oscier, Christoph Bock.Chromatin accessibility maps of chronic lymphocytic leukaemia identify subtype-specific epigenome signatures and transcription regulatory networks. Nature Communications, 2016; 7: 11938 DOI:10.1038/ncomms11938

Emanuele Libertini, Simon C. Heath, Rifat A. Hamoudi, Marta Gut, Michael J. Ziller, Agata Czyz, Victor Ruotti, Hendrik G. Stunnenberg, Mattia Frontini, Willem H. Ouwehand, Alexander Meissner, Ivo G. Gut, Stephan Beck. Information recovery from low coverage whole-genome bisulfite sequencing. Nature Communications, 2016; 7: 11306 DOI: 10.1038/ncomms11306

Emanuele Libertini, Simon C Heath, Rifat A Hamoudi, Marta Gut, Michael J Ziller, Javier Herrero, Agata Czyz, Victor Ruotti, Hendrik G Stunnenberg, Mattia Frontini, Willem H Ouwehand, Alexander Meissner, Ivo G Gut & Stephan Beck. Saturation analysis for whole-genome bisulfite sequencing data. Nature Biotechnology, June 2016 DOI:10.1038/nbt.3524

Christoph Bock et al. Quantitative comparison of DNA methylation assays for biomarker development and clinical applications.Nature Biotechnology, June 2016 DOI: 10.1038/nbt.3605

Cite This Page:

CeMM Research Center for Molecular Medicine of the Austrian Academy of Sciences. "Epigenetics: New tool for precision medicine." ScienceDaily. ScienceDaily, 27 June 2016. <www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160627124428.htm>.

O que é sistemática (eaulas.usp.br)

The Tree of Life may be more like a bush

Date: August 18, 2015

Source: Uppsala University

Summary:

New species evolve whenever a lineage splits off into several. Because of this, the kinship between species is often described in terms of a 'tree of life,' where every branch constitutes a species. Now, researchers have found that evolution is more complex than this model would have it, and that the tree is actually more akin to a bush.

Researchers at Uppsala University have found that evolution is more complex than this model would have it, and that the tree is actually more akin to a bush.

Credit: © Yury Zap / Fotolia

New species evolve whenever a lineage splits off into several. Because of this, the kinship between species is often described in terms of a 'tree of life', where every branch constitutes a species. Now, researchers at Uppsala University have found that evolution is more complex than this model would have it, and that the tree is actually more akin to a bush.

Less than a year ago, a consortium of some hundred researchers reported that the relationship between all major bird clades had been mapped out by analysing the complete genome of around 50 bird species. This included the exact order in which the various lineages had diverged.

Since then, two of the members of the consortium, Alexander Suh and Hans Ellegren at the Uppsala University Evolutionary Biology Centre, have expanded upon this model by analysing the avian genome through a new method, which hinges on so-called 'jumping genes'. Their results paint a partially contrasting picture of the kinship between the various species.

'We can see that the very rapid rate at which various bird species started evolving once the dinosaurs went extinct, i.e. around 65 million years ago, meant that the genome failed to split into separate lineages during the process of speciation', Hans Ellegren says.

This is because evolution moved quickly, and many species arose in quick succession. When this happens, different parts of the genome can tell disparate tales of the kinship between the new species. The phenomenon has previously been explained theoretically and is a result of the genetic variation passing from one species to another. If new species then continue to evolve quickly, random chance can end up determining which original genetic variants end up in each lineage. The phenomenon is called incomplete lineage sorting.

'Previously, the difficulty resided in finding instances of incomplete lineage sorting far back in time', Hans Ellegren says. 'Therefore, it's been unknown if this phenomenon has affected evolution to any appreciable extent'.

By using the jumping genes, or so-called retrotransposed elements, the Uppsala researchers have found that, for instance, a cuckoo can be more closely related to a hummingbird than a pigeon in a certain part of its genome, while the opposite holds true in another part. The study found numerous examples to corroborate the existence of the phenomenon.

This is one of the first cases in evolutionary research where researchers have been able to document and quantify incomplete lineage sorting far back in time. It is likely a far more common occurrence than previously thought.

'The more complex kinship patterns that result from this phenomenon mean that the Tree of Life should often be understood as a Bush of Life', Alexander Suh and Hans Ellegren say. 

Story Source:

The above post is reprinted from materials provided by Uppsala University. The original item was written by Linda Koffmar. Note: Materials may be edited for content and length.

Journal Reference:

Alexander Suh, Linnéa Smeds, Hans Ellegren. The Dynamics of Incomplete Lineage Sorting across the Ancient Adaptive Radiation of Neoavian Birds. PLOS Biology, 2015; 13 (8): e1002224 DOI:10.1371/journal.pbio.1002224

Cite This Page:

Uppsala University. "The Tree of Life may be more like a bush." ScienceDaily. ScienceDaily, 18 August 2015. <www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150818153509.htm>.

Do insect societies share brain power?

Social brains may have evolved very differently in insects than in vertebrates

Date: June 16, 2015

Source: Drexel University

Summary:

The cooperative or integrative aspects of insect colonies, such as information sharing among colony mates, can reduce the need for individual cognition in these societies, a new study suggests. Researchers compared social vs. solitary wasp species and found evidence that social brain evolution could dramatically different in insects than in vertebrates -- where complex societies require bigger brains.

See more at:

http://www.sciencedaily.com/releases/2015/06/150616215956.htm

Intelligent bacteria for detecting disease

Date: June 2, 2015

Source: INSERM (Institut national de la santé et de la recherche médicale)

Summary:

Research teams have transformed bacteria into 'secret agents' that can give warning of a disease based solely on the presence of characteristic molecules in the urine or blood. To perform this feat, the researchers inserted the equivalent of a computer program into the DNA of the bacterial cells. The bacteria thus programmed detect the abnormal presence of glucose in the urine of diabetic patients. This work is the first step in the use of programmable cells for medical diagnosis.

This image shows the principle of the use of modified bacteria for medical diagnosis.

Credit: ©J. Bonnet/ Inserm

Another step forward has just been taken in the area of synthetic biology. Research teams from Inserm and CNRS (French National Centre for Scientific Research) Montpellier, in association with Montpellier Regional University Hospital and Stanford University, have transformed bacteria into "secret agents" that can give warning of a disease based solely on the presence of characteristic molecules in the urine or blood. To perform this feat, the researchers inserted the equivalent of a computer programme into the DNA of the bacterial cells. The bacteria thus programmed detect the abnormal presence of glucose in the urine of diabetic patients. This work, published in the journalScience Translational Medicine, is the first step in the use of programmable cells for medical diagnosis.

Bacteria have a bad reputation, and are often considered to be our enemies, causing many diseases such as tuberculosis or cholera. However, they can also be allies, as witnessed by the growing numbers of research studies on our bacterial flora, or microbiota, which plays a key role in the working of the body. Since the advent of biotechnology, researchers have modified bacteria to produce therapeutic drugs or antibiotics. In this novel study, they have actually become a diagnostic tool.

Medical diagnosis is a major challenge for the early detection and subsequent monitoring of diseases. "In vitro" diagnosis is based on the presence in physiological fluids (blood and urine, for example) of molecules characteristic for a particular disease. Because of its noninvasiveness and ease of use, in vitro diagnosis is of great interest. However, in vitro tests are sometimes complex, and require sophisticated technologies that are often available only in hospitals.

This is where biological systems come into play. Living cells are real nano-machines that can detect and process many signals and respond to them. They are therefore obvious candidates for the development of powerful new diagnostic tests. However, they have to be provided with the appropriate "programme" for them to successfully accomplish the required tasks.

To do this, Jérôme Bonnet's team in Montpellier's Centre for Structural Biochemistry (CBS) had the idea of using concepts from synthetic biology derived from electronics to construct genetic systems making it possible to "programme" living cells like a computer.

The transcriptor: the cornerstone of genetic programming

The transistor is the central component of modern electronic systems. It acts both as a switch and as a signal amplifier. In informatics, by combining several transistors, it is possible to construct "logic gates," i.e. systems that respond to different signal combinations according to a predetermined logic. For example, a dual input "AND" logic gate will produce a signal only if two input signals are present. All calculations completed by the electronic instruments we use every day, such as smartphones, rely on the use of transistors and logic gates.

During his postdoctoral fellowship at Stanford University in the United States, Jérôme Bonnet invented a genetic transistor, the transcriptor.

The insertion of one or more transcriptors into bacteria transforms them into microscopic calculators. The electrical signals used in electronics are replaced by molecular signals that control gene expression. It is thus now possible to implant simple genetic "programmes" into living cells in response to different combinations of molecules .

In this new work, the teams led by Jérôme Bonnet (CBS, Inserm U1054, CNRS UMR5048, Montpellier University), Franck Molina (SysDiag, CNRS FRE 3690), in association with Professor Eric Renard (Montpellier Regional University Hospital) and Drew Endy (Stanford University), applied this new technology to the detection of disease signals in clinical samples.

Clinical samples are complex environments, in which it is difficult to detect signals. The authors used the transcriptor's amplification abilities to detect disease markers, even if present in very small amounts. They also succeeded in storing the results of the test in the bacterial DNA for several months.

The cells thus acquire the ability to perform different functions based on the presence of several markers, opening the way to more accurate diagnostic tests that rely on detection of molecular "signatures" using different markers.

"We have standardised our method, and confirmed the robustness of our synthetic bacterial systems in clinical samples. We have also developed a rapid technique for connecting the transcriptor to new detection systems. All this should make it easier to reuse our system," says Alexis Courbet, a postgraduate student and first author of the article.

As a proof of concept, the authors connected the genetic transistor to a bacterial system that responds to glucose, and detected the abnormal presence of glucose in the urine of diabetic patients.

"We have deposited the genetic components used in this work in the public domain to allow their unrestricted reuse by other public or private researchers, " says Jérôme Bonnet.

"Our work is presently focused on the engineering of artificial genetic systems that can be modified on demand to detect different molecular disease markers," he adds. In future, this work might also be applied to engineering the microbial flora in order to treat various diseases, especially intestinal diseases.

Story Source:

The above story is based on materials provided by INSERM (Institut national de la santé et de la recherche médicale). Note: Materials may be edited for content and length.

Journal Reference:

A. Courbet, D. Endy, E. Renard, F. Molina, J. Bonnet. Detection of pathological biomarkers in human clinical samples via amplifying genetic switches and logic gates. Science Translational Medicine, 2015; 7 (289): 289ra83 DOI: 10.1126/scitranslmed.aaa3601

Cite This Page:

INSERM (Institut national de la santé et de la recherche médicale). "Intelligent bacteria for detecting disease." ScienceDaily. ScienceDaily, 2 June 2015. <www.sciencedaily.com/releases/2015/06/150602130547.htm>.

Scientists reveal epigenome maps of the human body's major organs

Date: June 1, 2015

Source: Salk Institute

Summary:

While the genome of an individual is the same in every cell, epigenomes vary since they are closely related to the genes a cell is actually using at any given time. A new atlas of human organ epigenomes provides a starting place to understand the role of chemical markers in development, health and disease.

A team at the Salk Institute mapped comprehensive epigenomes of several organs and tissue types from four different donors, which could help better understand health and disease.

Credit: Salk Institute

For more than a decade, scientists have had a working map of the human genome, a complete picture of the DNA sequence that encodes human life. But new pages are still being added to that atlas: maps of chemical markers called methyl groups that stud strands of DNA and influence which genes are repressed and when.

Now, Salk scientists have constructed the most comprehensive maps yet of these chemical patterns--collectively called the epigenome--in more than a dozen different human organs from individual donors (including a woman, man and child). While the methylation does not change an individual's inherited genetic sequence, research has increasingly shown it has a profound effect on development and health.

"What we found is that not all organs we surveyed are equal in terms of their methylation patterns," says senior author Joseph R. Ecker, professor and director of Salk's Genomic Analysis Laboratory and codirector of The Center of Excellence for Stem Cell Genomics. "The signatures of methylation are distinct enough between organs that we can look at the methylation patterns of a tissue and know whether the tissue is muscle or thymus or pancreas." The new data was published June 1, 2015 in Nature.

While the genome of an individual is the same in every cell, epigenomes vary since they are closely related to the genes a cell is actually using at any given time. Methylation marks help blood cells ignore the genes required to be a brain or liver cell, for instance. And they can vary over time--a change in a person's age, diet or environment, for instance, has been shown to affect methylation.

"We wanted to make a baseline assessment of what the epigenome, in particular DNA methylation, looks like in normal human organs," says Ecker. To do that, the scientists collected cells from 18 organs in 4 individuals and mapped out their methylation profiles.

As expected, the patterns aligned somewhat with genes known to be important for a cell's function--there was less methylation close to muscle genes in cells collected from muscle, for instance. But other aspects of the new maps were surprising. The researchers detected an unusual form of methylation, called non-CG methylation, which was thought to be widespread only in the brain and stem cells.

"The only place this had been observed before was in the brain, skeletal muscle, germ cells and stem cells," says Matthew Schultz, formerly a graduate student in the Ecker lab and a first author of the new work. "So, to see it in a variety of normal adult tissues was really exciting." Researchers don't yet know the function of that non-CG methylation in adults, but hypothesize that it may suggest the presence of stem cell populations in the adult tissues.

The team found other surprises in their research, which point to new avenues to explore. For example, they found that many regions showing dynamic methylation aren't located where expected--in a section of DNA called the promoter, as well as the regulatory regions that are upstream of the promoter. "In the past, people have really thought the promoter or the upstream regions are where everything is happening," says Ecker. "But we found that methylation changes that are most correlated with gene transcription are often in the downstream regions of the promoter." The observation could affect how and where researchers search for methylation when they're studying how an individual gene is regulated.

Another surprise was how extensively organs differed from each other in the degree of genome-wide methylation. The pancreas had an unusually low level of methylation, while the thymus had high levels of methylation. Researchers don't yet know why.

The new results just scratch the surface of completely understanding DNA methylation patterns--there are dozens more organs to profile, numerous unknowns about what shapes and changes the epigenome, and questions about whether different cells--even within a single organ--vary in their methylation patterns.

"What would be interesting to do next is split out different cell types," says Yupeng He, a graduate student in the Ecker lab and co-first author of the new paper. "The samples we have are heterogeneous mixtures of many cells."

The researchers hope the results offer a jumping off point, however, to start understanding how diseases, such as those affecting the organs they profiled, may be reflected in changes to the epigenome.

"You could imagine that eventually, if someone is having a problem, a biopsy might not only look at characterizing the cells or genes, but the epigenome as well," says Ecker.

Story Source:

The above story is based on materials provided by Salk Institute. Note: Materials may be edited for content and length.

Journal Reference:

Matthew D. Schultz, Yupeng He, John W. Whitaker, Manoj Hariharan, Eran A. Mukamel, Danny Leung, Nisha Rajagopal, Joseph R. Nery, Mark A. Urich, Huaming Chen, Shin Lin, Yiing Lin, Inkyung Jung, Anthony D. Schmitt, Siddarth Selvaraj, Bing Ren, Terrence J. Sejnowski, Wei Wang, Joseph R. Ecker. Human body epigenome maps reveal noncanonical DNA methylation variation. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14465

Cite This Page:

Salk Institute. "Scientists reveal epigenome maps of the human body's major organs." ScienceDaily. ScienceDaily, 1 June 2015. <www.sciencedaily.com/releases/2015/06/150601122438.htm>.

Estudo desvenda via de comunicação entre mitocôndria e núcleo

06 de maio de 2015

Karina Toledo | Agência FAPESP – Considerada uma das mais importantes organelas das células eucariontes por ser uma espécie de “bateria”, a mitocôndria precisa estar em constante comunicação com o núcleo celular – onde são sintetizadas proteínas essenciais para seu funcionamento.

Essa comunicação ocorre por diferentes vias e, nas mais estudadas, o sinal sai do núcleo e segue para a mitocôndria. Outras menos conhecidas fazem o caminho inverso e, por esse motivo, ficaram conhecidas como vias de sinalização retrógrada.

Em experimentos com leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae– a mesma usada na fabricação de pães, cerveja, vinho e queijos –, pesquisadores brasileiros investigaram pela primeira vez o que acontece com as mitocôndrias quando uma dessas vias retrógradas – mediada por proteína da família Rtg – não está funcionando direito.

A pesquisa foi realizada no âmbito do Centro de Pesquisa em Processos Redox em Biomedicina (Redoxoma),um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) da FAPESP. Os resultados foram divulgados recentemente na revista Free Radical Biology and Medicine.

“Observamos várias diferenças nas células sem a via retrógrada ativa, entre elas o maior consumo de oxigênio pelas mitocôndrias e uma maior suscetibilidade celular ao estresse oxidativo ( condição em que há um aumento nos níveis de espécies reativas de oxigênio, que podem danificar moléculas importantes para o equilíbrio celular)”, contou Fernanda Marques da Cunha, professora da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) e coordenadora do estudo apoiado pela FAPESP.

De acordo com Cunha, diversas proteínas atuam como mediadoras de vias de sinalização retrógrada. No caso da via mediada por Rtg, estudos anteriores de outros grupos identificaram três como sendo as mais importantes: Rtg1, Rtg2 e Rtg3.

“As três são encontradas no citoplasma. A Rtg2 ativa a Rtg1 e esta se une à Rtg3 formando um fator de transcrição que vai para o núcleo e ativa vários genes envolvidos no metabolismo mitocondrial”, contou Cunha.

Para descobrir o que aconteceria com a mitocôndria se por algum motivo essa comunicação fosse prejudicada, os pesquisadores compararam culturas de células de levedura selvagem (nas quais as três proteínas funcionam normalmente) com dois tipos de leveduras mutantes: uma em que foi silenciado o gene codificador da Rtg1 e outra sem o gene da Rtg2.

As células foram cultivadas em um meio rico em glicose durante sete dias e avaliadas após esse período.

“Quando analisamos as células intactas, observamos que as duas linhagens mutantes consumiam aproximadamente o dobro de oxigênio do que as selvagens. Foi um resultado inesperado, pois acreditávamos que a mitocôndria estaria com o metabolismo prejudicado e, portanto, consumindo menos oxigênio”, contou Cunha.

Um novo experimento foi feito para descobrir se esse consumo elevado estaria relacionado com uma quantidade maior de mitocôndrias nas células.

“Durante esses sete dias, as células passam por diferentes estágios. Inicialmente elas obtêm energia de forma anaeróbica por meio da fermentação da glicose e, quando ela acaba, passam a consumir os produtos da fermentação de forma aeróbica. Nessa fase aumenta o número de mitocôndrias no interior das células. Mas, depois que todos os substratos respiratórios acabam, as células entram em fase estacionária, ou seja, param de se dividir e baixam os níveis de respiração diminuindo os números de mitocôndrias”, explicou Cunha.

Os pesquisadores do Redoxoma observaram que, embora as células de levedura mutantes também tivessem entrado na fase estacionária após o sétimo dia de cultivo, o número de mitocôndrias em seu interior não havia diminuído como nas células selvagens. Além disso, proporcionalmente, cada organela estava consumindo uma quantidade maior de oxigênio em comparação à organela da célula selvagem.

“Quando diminui a demanda da célula pelas mitocôndrias, essas organelas são degradadas seletivamente. Esse processo é conhecido como mitofagia e demonstramos que ele estava diminuído nas células mutantes”, contou Cunha.

O que não mata, fortalece

Quando a mitocôndria já não funciona bem, explicou Cunha, ela passa a produzir uma maior quantidade de peróxido de hidrogênio (H2O2) – substância também conhecida como água oxigenada e uma das causadoras do estresse oxidativo.

No entanto, ao isolar as mitocôndrias das leveduras mutantes, os pesquisadores descobriram que a produção de peróxido de hidrogênio estava menor em relação ao verificado nas células selvagens.

“Existe um conceito conhecido como hormese segundo o qual doses mínimas de substâncias tóxicas fazem bem ao organismo, pois estimulam a criação de defesas que o deixam preparado para lidar com doses maiores. É como naquele ditado: aquilo que não me mata, me fortalece”, afirmou a pesquisadora.

Para testar se esse conceito poderia ser aplicado às leveduras em estudo, os pesquisadores submeteram as células a um desafio, colocando-as em um meio com altas concentrações de peróxido de hidrogênio. Confirmando a suspeita, as células selvagens sobreviveram cerca de três vezes mais do que as mutantes.

“As células mutantes apresentaram menor capacidade de transformar o peróxido de hidrogênio em substâncias não nocivas, como oxigênio e água. Ambas apresentaram menor atividade da enzima glutationa peroxidase, uma das responsáveis por neutralizar o peróxido. E a célula sem a proteína Rtg1 apresentou também menor atividade da enzima catalase”, contou Cunha.

Os experimentos foram realizados durante o mestrado de Nicole Quesada Torelli, no Instituto de Química (IQ) da Universidade de São Paulo (USP), sob a orientação de Cunha e da professora da USP Alicia Kowaltowski. Também colaborou o pesquisador José Ribamar Ferreira Júnior, da Escola de Artes, Ciências e Humanidades (EACH) da USP. 

Em artigo divulgado na revista Free Radical Biology, pesquisadores do Redoxoma demonstram o que acontece com a célula de levedura quando uma das vias que mandam sinais da mitocôndria para o núcleo não funciona (células de levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae foram utilizadas no experimento / foto: Wikimedia)

Link:

http://agencia.fapesp.br/estudo_desvenda_via_de_comunicacao_entre_mitocondria_e_nucleo/21107/

Miguel Nicolelis: A comunicação entre cérebros já chegou

Link do artigo:

http://blog.brasilacademico.com/2015/02/miguel-nicolelis-comunicacao-entre.html

06.02.2015

Vocês devem se lembrar do neurocientista Miguel Nicolelis — ele construiu o exoesqueleto controlado pela mente que permitiu a um homem com paralisia dar o chute inicial da Copa do Mundo de 2014. Em que ele trabalha atualmente? Na construção de meios para que duas mentes (de ratos e macacos, por enquanto) enviem mensagens de um cérebro para o outro. Assistam até o final para verem um experimento que ele diz ir “ao limite de sua imaginação”.

Em 12 de junho de 2014, exatamente às 15h33min numa agradável tarde de inverno em São Paulo, Brasil, uma tarde típica de inverno na América do Sul, este rapaz, este jovem que vocês veem aqui, comemorando, como se tivesse feito um gol, Juliano Pinto, de 29 anos, realizou uma façanha maravilhosa.

Apesar de ser paralítico e não ter qualquer sensibilidade do meio do peito aos dedos dos pés, consequência de um acidente de carro, seis anos atrás, que matou seu irmão e provocou a lesão completa da medula espinhal, que deixou Juliano em uma cadeira de rodas, Juliano superou suas dificuldades e naquele dia fez algo que as pessoas que o assistiam há seis anos julgavam ser impossível. Juliano Pinto deu o chute inicial da Copa do Mundo de Futebol de 2014, aqui no Brasil usando apenas o pensamento. Ele não podia movimentar seu corpo, mas podia imaginar os movimentos necessários para chutar uma bola. Ele era um atleta antes da lesão. Agora ele é um paratleta. Ele vai estar nos Jogos Paralímpicos, espero, dentro de dois anos. Mas o que a lesão da medula espinhal não roubou de Juliano foi a sua capacidade de sonhar. E naquela tarde ele sonhou, em um estádio com cerca de 75 mil pessoas e uma audiência de perto de um bilhão de espectadores de TV.

E aquele chute coroou, essencialmente, 30 anos de pesquisa básica estudando como o cérebro, como este maravilhoso universo que temos entre as orelhas que é somente comparável ao universo situado nas alturas porque ele tem cerca de 100 bilhões de elementos que se comunicam entre si por meio de descargas elétricas, aquilo que o Juliano realizou consumiu 30 anos para ser imaginado em laboratórios e cerca de 15 anos para planejar.

Quando John Chapin e eu, há 15 anos, propusemos em um trabalho que construiríamos algo a que chamamos interface cérebro-máquina isto é, a ligação entre um cérebro e dispositivos de modo que animais e humanos pudessem movimentar estes dispositivos, a qualquer distância de seus corpos, apenas imaginando o que eles desejariam fazer, nossos colegas nos disseram que precisávamos de ajuda profissional, de natureza psiquiátrica. Apesar disso, um escocês e um brasileiro perseveraram, porque foi assim que fomos educados em nossos respectivos países, e durante 12, 15 anos, fizemos demonstrações, uma atrás da outra, sugerindo que isto era possível.

E uma interface cérebro-máquina não é nada excepcional, é só pesquisa sobre o cérebro. Não passa do uso de sensores para ler as descargas elétricas que um cérebro produz para gerar comandos motores que devem ser transportados medula espinhal abaixo, por isso projetamos sensores capazes de ler centenas e agora milhares desses sinais cerebrais, simultaneamente, e extraímos destes sinais elétricos o planejamento motor que o cérebro cria para nos movermos pelo espaço ao redor. Assim fazendo, nós convertemos os sinais em comandos digitais que qualquer dispositivo seja mecânico, seja eletrônico ou até mesmo virtual, possa compreender de modo que o sujeito pode imaginar o que ele ou ela quer mover e o dispositivo obedece ao comando do cérebro. Conectando a esses dispositivos muitos tipos diferentes de sensores, como vocês verão logo a seguir, nós enviamos mensagens de volta ao cérebro para confirmar que o desejo motor voluntário estava sendo executado, não importa onde: próximo ao sujeito, na vizinhança, ou do outro lado do planeta. E quando a mensagem dava um feedback ao cérebro, a mente atingia seu objetivo: fazer-nos movimentar. Este é apenas um experimento que nós publicamos há alguns anos, no qual um macaco, sem mover seu corpo, aprendeu a controlar os movimentos de um braço avatar, um braço virtual que não existe. O que vocês estão ouvindo é o som do cérebro deste macaco enquanto explora três esferas diferentes, visualmente idênticas em um espaço virtual. Para receber uma recompensa, um pouco de suco de laranja que os macacos adoram, o animal tem de detectar, selecionar um dos objetos pelo tato, não pela visão, mas tocando-o, pois toda vez que a mão virtual toca um dos objetos, um pulso elétrico retorna ao cérebro do animal descrevendo a textura fina da superfície do objeto, e assim o animal pode decidir qual o objeto correto que ele deve pegar, e se ele o fizer, ele ganha uma recompensa sem mover um músculo. O almoço brasileiro perfeito: sem ter de mover um músculo e ganhar o suco de laranja.

Quando vimos isto acontecer, nós propusemos a ideia que publicamos há 15 anos. Nós republicamos o trabalho. Nós o tiramos da gaveta, e propusemos que talvez pudéssemos fazer um ser humano que é paralítico usar a interface cérebro-máquina para readquirir mobilidade. A ideia era que se vocês sofressem... e isso pode acontecer com qualquer um de nós. Deixe-me contar-lhes, é muito repentino. É um milissegundo em uma colisão, um acidente de automóvel que transforma sua vida completamente. Se vocês sofrerem uma lesão total da medula espinhal, não poderão se mover porque as descargas elétricas não chegarão aos seus músculos. Porém, as descargas elétricas continuam a ser geradas pela mente. Pacientes quadriplégicos, tetraplégicos sempre sonham que estão se movendo. Eles têm isso em suas mentes. O problema é como captar esse código e criar o movimento novamente.

O que nós propusemos foi: vamos criar um novo corpo. Vamos criar uma vestimenta robótica. Exatamente graças a isso, é que o Juliano pôde chutar aquela bola usando apenas o pensamento, porque trajava a primeira vestimenta robótica controlada pelo cérebro que pode ser usada por paraplégicos e tetraplégicos para que possam se mover e recuperar o feedback.

Essa era a ideia original, há 15 anos. O que vou mostrar a vocês é como 156 pessoas de 25 países dos cinco continentes desta linda Terra, mudaram suas vidas, deixaram suas patentes, deixaram os cães, esposas, filhos, escola, empregos, e se juntaram para vir ao Brasil por 18 meses para realmente realizar isto. Poucos anos depois de o Brasil ter sido escolhido para realizar a Copa do Mundo, soubemos que o governo brasileiro queria promover algo marcante na cerimônia de abertura no país que reinventou e aperfeiçoou o futebol, até enfrentarmos os alemães, claro. (Risos) Mas isso é outra palestra, com outro neurocientista. O que o Brasil desejava era mostrar um país completamente diferente, um país que valoriza a ciência e a tecnologia, e pode presentear milhões, 25 milhões de pessoas em todo o mundo que não podem mais se mover devido a uma lesão na medula espinhal. Bem, dirigimo-nos ao governo brasileiro e à FIFA e propusemos, que o chute inicial da Copa do Mundo de 2014 fosse dado por um paraplégico brasileiro usando um exoesqueleto controlado pelo cérebro que o possibilitaria chutar a bola e sentir o contato com ela. Eles nos olharam como se fôssemos completamente loucos, e disseram: “Tudo bem, vamos tentar.” Tínhamos 18 meses para fazer tudo, a partir do nada. Não tínhamos o exoesqueleto, não tínhamos pacientes, e nada havia sido feito. Essas pessoas se uniram e em 18 meses, conseguimos oito pacientes em uma rotina de treinamento e basicamente, a partir do nada, construímos este cara, a quem chamamos de Brasil-Santos Dumont 1. O primeiro exoesqueleto controlado pelo cérebro foi batizado em homenagem ao mais famoso cientista brasileiro, Alberto Santos Dumont, quem, em 19 de outubro de 1901, construiu e ele mesmo pilotou, em Paris, a primeira aeronave controlada, vista por milhões de pessoas, Desculpem, meus amigos americanos, Eu vivo na Carolina do Norte, mas isso aconteceu dois anos antes do voo dos Irmãos Wright na costa da Carolina do Norte. (Aplausos) O controle de voo é brasileiro. (Risos) Então junto com esse pessoal basicamente montamos este exoesqueleto, com 15 graus de liberdade, uma máquina hidráulica, que pode ser comandada por sinais do cérebro registrados por uma tecnologia não invasiva, chamada eletroencefalografia, que em síntese permite ao paciente imaginar seus movimentos e mandar seus comandos para os controles, os motores, e consegue realizá-los. O exoesqueleto foi recoberto com uma pele artificial inventada por Gordon Cheng, um dos meus melhores amigos, em Munique, para que as sensações do movimento das articulações e do pé ao tocar o chão pudessem ser enviadas de volta ao paciente por meio da vestimenta, uma camisa. É uma camisa inteligente dotada de elementos microvibrantes

que basicamente levam o feedback e enganam o cérebro do paciente ao criar uma sensação de que não é a máquina que o carrega, mas é ele que está andando novamente.

Então conseguimos fazer isto funcionar e o que veem aqui é um dos nossos pacientes, Bruno, andando pela primeira vez. Ele demora alguns segundos porque estamos ajustando tudo, e vocês verão uma luz azul na frente do capacete porque Bruno vai imaginar o movimento que deve ser executado, o computador irá analisá-lo Bruno vai autorizá-lo, e quando autorizado, o dispositivo começa a movimentar-se sob o comando do cérebro do Bruno. O dispositivo entendeu bem, e agora ele começa a andar. Depois de nove anos sem ser capaz de se mover, ele está andando sozinho. E mais do que isso... (Aplausos) mais do que simplesmente andar, ele está sentindo o chão, e se a velocidade do exoesqueleto aumentar, ele nos diz que está andando novamente nas areias de Santos, a praia que ele frequentava antes do acidente que sofreu. Isso é porque o cérebro cria uma nova sensação na mente do Bruno.

Então ele anda, e ao fim da caminhada… Eu já estou esgotando meu tempo... ele diz: “Sabe, pessoal, preciso pedir isso emprestado a vocês quando me casar, porque eu queria andar até o padre e ver minha noiva e estar ali por meus próprios meios.” É claro que ele o terá a hora que ele quiser.

Isso é o que queríamos ter mostrado durante a Copa do Mundo e não conseguimos, porque, por alguma razão misteriosa, a FIFA cortou sua transmissão na metade. O que vocês verão muito rapidamente é Juliano Pinto, no exoesqueleto, dar o chute poucos minutos antes do início da partida e o fez ao vivo, diante de toda a multidão, e as luzes que vocês verão descrevem a operação. Basicamente, as luzes azuis que pulsam indicam que o exoesqueleto está pronto, que ele pode receber pensamentos e enviar feedback, e quando Juliano tomar a decisão de chutar a bola, vocês vão ver duas linhas de luz verde e amarela que descem do capacete e vão até às pernas, que representam os comandos mentais recebidos pelo exoesqueleto para fazer aquilo acontecer. E basicamente em 13 segundos, Juliano realmente o fez. Vocês podem ver os comandos. Ele se prepara, a bola é colocada e ele chuta. A coisa mais surpreendente é: 10 segundos depois que o fez, olhou-nos do local de apresentação, e nos disse, comemorando como viram, “Eu senti a bola.” E isso não tem preço. (Aplausos)

Então, aonde isto vai dar? Eu tenho dois minutos para lhes contar que vai nos levar aos limites da nossa imaginação. A tecnologia por ação do cérebro chegou. Esta é a mais recente: Nós a publicamos há um ano, a primeira interface cérebro-cérebro que permite que dois animais troquem mensagens mentais de modo que um animal que vê algo vindo do meio ambiente possa enviar um SMS mental, um torpedo, um torpedo neurofisiológico, para o segundo animal, e o segundo animal executa o ato que ele precisava realizar sem nunca saber qual era a mensagem enviada pelo meio ambiente, porque a mensagem vinha do cérebro do primeiro animal.

Este é o primeiro demo. Serei bem rápido, pois desejo mostrar-lhes o mais recente. O que veem aqui é o primeiro rato receber a informação por uma luz que aparecerá à esquerda da gaiola que ele tem que pressionar o lado esquerdo da gaiola para receber a recompensa. Ele vai até lá e o faz. Ao mesmo tempo, ele manda uma mensagem mental para o segundo rato que não viu qualquer luz, e o segundo rato, em 70% das vezes irá pressionar a alavanca esquerda e receber a recompensa sem nunca ter experimentado a luz na retina.

Bem, isso foi levado a um limite mais elevado fazendo macacos colaborarem por meio de uma rede mental, basicamente para doar as atividades cerebrais e combiná-las para mover o braço virtual que lhes mostrei antes, e o que vocês veem aqui é a primeira vez que dois macacos combinam seus cérebros, sincronizam perfeitamente seus cérebros para conseguir mover o braço virtual. Um macaco controla a dimensão x, o outro macaco controla a dimensão y. Mas fica mais interessante quando três macacos são colocados ali e pede-se que um macaco controle x e y, o outro macaco controle y e z, e o terceiro controle x e z, e faz-se que todos juntos participem do jogo, movendo o braço em 3D até um alvo para receber o famoso suco de laranja brasileiro. E eles realmente o fazem. O ponto preto é a média de todos esse trabalho mental em paralelo, em tempo real. Essa é a definição de um computador biológico, que interage pela atividade cerebral e atinge um alvo motor.

Aonde isso vai dar? Não faço ideia. Somos apenas cientistas. (Risos) Somos pagos para sermos crianças, para essencialmente irmos ao limite e descobrir o que está ali. Mas sei de uma coisa: Um dia, dentro de poucas décadas, quando nossos netos surfarem a internet apenas com o pensamento, ou quando uma mãe doar sua visão a um filho autista que não pode enxergar, ou alguém falar devido a um atalho cérebro-cérebro, alguns de vocês lembrarão que tudo começou numa tarde de inverno num campo de futebol brasileiro com um chute impossível.

Obrigado.

(Aplausos)

Bruno Giussani: Miguel, obrigado por não ultrapassar o seu tempo. Na verdade eu lhe daria mais alguns minutos, porque há alguns pontos que eu gostaria de detalhar, parece claro que os cérebros devem ser conectados para saber aonde vamos. Então vamos todos nos conectar. Se eu entendi corretamente, um dos macacos recebe um sinal e o outro macaco reage àquele sinal porque o primeiro o recebe e transmite o impulso neurológico.

Miguel Nicolelis: Não, é um pouco diferente. Nenhum macaco sabe da existência dos outros dois. Eles recebem um feedback visual em 2D, mas eles devem realizar a tarefa em 3D. Eles têm que movimentar um braço em três dimensões. Mas cada macaco recebe apenas as duas dimensões na tela do vídeo que os macacos controlam. E para que isso seja feito, deve ter pelo menos dois macacos que sincronizem seus cérebros, mas o ideal é três. Descobrimos que quando um macaco começa a fazer corpo mole, os outros dois melhoram seus desempenhos para fazer o cara voltar a cooperar, de modo que há um ajuste dinâmico, mas a sintonia global continua a mesma. Agora, se não se informar aos macacos a dimensão que cada cérebro deve controlar, como este cara que controla x e y, mas que deveria estar controlando y e z, imediatamente, o cérebro do animal esquece as dimensões antigas e passa a se concentrar nas novas dimensões. Preciso dizer que não existe uma máquina de Turing, nenhum computador pode prever o que uma rede cerebral fará. Logo, absorveremos tecnologias como parte de nós. As tecnologias nunca irão nos absorver. É simplesmente impossível.

BG: Quantas vezes isso foi testado? E quantas vezes houve sucesso? Quantas vezes houve fracasso?

MN: Oh, dezenas de vezes. Com os três macacos? Oh, várias vezes. Eu não falaria disso aqui a menos que eu o tivesse feito algumas vezes. E esqueci de mencionar, devido ao tempo, que há apenas três semanas um grupo europeu demonstrou a primeira conexão cérebro humano-cérebro humano.

BG: E como é isso?

MN: Era só um bit de informação, mas as grandes ideias começam de modo tímido... basicamente, a atividade cerebral de um indivíduo foi transmitida a um segundo indivíduo, tudo por tecnologias não invasivas. O primeiro sujeito recebeu uma mensagem, como os ratos, uma mensagem visual, e a transmitiu ao segundo indivíduo. O segundo indivíduo recebeu um pulso magnético em seu córtex visual, ou um pulso diferente, dois pulsos diferentes. Em um pulso, o indivíduo via algo. No outro pulso, ele via algo diferente. E ele era capaz de indicar verbalmente qual era a mensagem que o primeiro sujeito mandara pela internet, entre continentes.

Moderador: Uau. Certo, é para onde estamos indo. Essa é a próxima Palestra TED na próxima conferência. Miguel Nicolelis, obrigado.

MN: Obrigado, Bruno. Obrigado.

Fonte: TED

[Visto no Brasil acadêmico]

Epigenome: The symphony in your cells

Caterpillar to butterfly: New light shed on diet, steroid hormones and development

Date: February 4, 2015

Source: University of Tsukuba

Summary:

Researchers have discovered an exciting new link between nutrition and development in fruit flies that involves a direct association between the brain and parts of the insect organ secreting the important hormone. It helps to explain when and how caterpillars turn into butterflies and may help us to understand how and when children develop into adults.

A subset of serotonergic neurons directly innervating the prothoracic gland. In the 3rd instar larva of the fruit fly Drosophila melanogaster, the prothoracic gland (PG, ecdysteroid-producing organ, magenta) and serotonergic neurons (green) were visualized by immunohistochemistry. The PG is a ball-shaped endocrine organ, consisting of about 50 cells. Serotonergic neurons extend from the brain to the PG, secreting serotonin for ecdysteroid biosynthesis.

Credit: Image courtesy of University of Tsukuba

Tsukuba researchers discover an exciting new link between nutrition and development in fruit flies that involves a direct association between the brain and parts of the insect organ secreting the important hormone. It helps to explain when and how caterpillars turn into butterflies and may help us to understand how and when children develop into adults.

How is the timing of puberty controlled? The answer may lie in understanding the timing of metamorphosis, the insect version of puberty, according to research recently reported by Dr. Yuko Shimada-Niwa and Dr. Ryusuke Niwa from the University of Tsukuba. This research was published on December 15, 2014 in the scientific journal, Nature Communications.

The timing of the developmental change from caterpillar to butterfly, or child to adult, is closely linked to diet. The main hormones involved in this change are steroid hormones. In humans, steroid hormones are responsible for puberty and made in the brain and/or sex organs. Their production is strongly influenced by diet. Without proper nutrition, steroid hormone production is delayed, resulting in a delay in the onset of puberty. On the other hand, the link between the current obesity epidemic in many countries and the early onset of puberty continues to cause a great deal of concern.

Using the insect version of the lab rat, the fruit fly Drosophila melanogaster, the Niwa lab studied the insect form of steroid hormone, ecdysteroid. Ecdysteroid is essential for metamorphosis, the incredible transformation from a larva (the fly version of a caterpillar) to a pupa (the fly version of a cocoon) and finally, to an adult fly.

The use of very elegant genetic techniques and detailed anatomical studies under the microscope allowed the researchers to find a group of neurons that directly project from the brain into the prothoracic gland (PG), the specialized ecdysteroid-producing organ near the brain, as well as beyond -- into the first part of the gut -- the feeding equipment, such as the mouth and foregut. "The neuronal morphology is so complicated that no one could follow the tracts of neurons and the positions of cell bodies to date," said Yuko. She painstakingly dissected many genetically-tagged fly larvae to identify this neuronal pathway that extends outside the brain and into the feeding equipment of the flies.

Surprisingly, the neuronal projections changed depending on what sort of food the larvae were given. When fed a normal yeast-rich diet, the neuronal projection was significantly longer than when the larvae were starved. In the starved larvae, development was also delayed. When the starved larvae were given the normal diet, the effects of the previously poor diet were reversed and development continued as normal.

This group of neurons that extends outside the brain produces the neurotransmitter serotonin. Serotonin, sometimes called the 'happiness hormone' in humans, has roles in both humans and insects in memory, appetite, sleep and behavior. When the function of these serotonin-producing neurons was disrupted in fruit flies, the level of ecdysteroid was reduced and development was delayed. The researchers hypothesized that on a normal diet, serotonin is released by these neurons into the ecdysteroid-producing organ, the PG, stimulating it to make high amounts of ecdysteroid, thus allowing development to proceed. The fact that these neurons are also directly associated with the insect hormone-producing organ suggests an exciting new role for serotonin in linking diet to steroid hormone formation and subsequently, to a role in metamorphosis. According to Ryusuke, "the genetic programs can be flexibly coordinated in the context of the nutrient environment. This mechanism allows animals to increase survival fitness and reproductive success."

So, in fruit flies at least, the happiness hormone serotonin to help control the timing of development in the nutrient-dependent manner. But what about us? We get butterflies in our stomach just thinking about it…

Story Source:

The above story is based on materials provided by University of Tsukuba. Note: Materials may be edited for content and length.

Journal Reference:

Yuko Shimada-Niwa, Ryusuke Niwa. Serotonergic neurons respond to nutrients and regulate the timing of steroid hormone biosynthesis in Drosophila. Nature Communications, 2014; 5: 5778 DOI: 10.1038/ncomms6778

Cite This Page:

University of Tsukuba. "Caterpillar to butterfly: New light shed on diet, steroid hormones and development." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 February 2015. <www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150204075212.htm>.

How to build a human (clicar na imagem)

by TabletopWhale.

Condição adversa faz célula normal da pele se transformar em melanoma

17 de outubro de 2014

Por Karina Toledo, de Munique

Agência FAPESP – Experimentos feitos na Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) mostraram que, ao serem submetidas a uma situação de estresse crônico, células normais da pele sofrem mudanças no padrão de expressão dos genes e acabam se transformando em células de melanoma.

Os mecanismos pelos quais essa modificação ocorre estão sendo investigados em uma pesquisa apoiada pela FAPESP e coordenada por Miriam Galvonas Jasiulionis, professora do Departamento de Farmacologia.

Parte dos resultados foi apresentada no dia 16 de outubro, na Alemanha, no painel de Biotecnologia, durante a programação da FAPESP Week Munich.

“A transformação é progressiva. Primeiro os melanócitos [células produtoras de melanina] adquirem características alteradas, como as encontradas em lesões pré-malignas. Depois se tornam células de melanoma não metastático, um tipo de câncer menos agressivo. E, por fim, tornam-se células de melanoma metastático”, contou Jasiulionis.

De acordo com a pesquisadora, as alterações iniciais relacionadas com a transformação parecem não ser genéticas, mas sim epigenéticas – um conjunto de processos bioquímicos disparados por estímulos ambientais que moldam o funcionamento do genoma por meio da ativação ou desativação de genes. Metaforicamente, é possível comparar o genoma ao hardware de um computador e o epigenoma ao software que faz a máquina funcionar.

“As marcas epigenéticas mais estudadas são a metilação do DNA [adição de radicais metila à molécula] e as modificações de histonas, proteínas importantes na compactação desse DNA. Esses dois mecanismos são muito importantes na regulação da expressão gênica”, explicou Jasiulionis.

Os efeitos do estresse

Dados da literatura científica mostram que fatores como inflamação crônica, fumo, hormônios e dieta podem modificar o padrão epigenético e, consequentemente, o funcionamento do genoma ao longo do tempo. No caso da pesquisa realizada na Unifesp, as alterações foram relacionadas a um aumento na produção de radicais livres de oxigênio causado pelo estresse celular.

“Nós submetemos as células a uma situação de estresse sustentado e isso elevou a produção de espécies reativas de oxigênio. Nossos dados mostram, particularmente, haver relação entre o aumento de ânion superóxido (O2.-) e mudanças no padrão de metilação do DNA”, contou Jasiulionis.

Para induzir o estresse celular, os pesquisadores revestiram as placas de cultura com uma camada de agarose, um polissacarídeo extraído de algas marinhas que impede a aderência dos melanócitos na placa.

“Normalmente, quando cultivamos melanócitos em laboratório, as células secretam determinadas proteínas para aderir às placas de plástico. Quando impedimos esse processo com a agarose, ocorre um aumento na produção de espécies reativas de oxigênio”, contou a pesquisadora.

Para mostrar que de fato havia uma relação causal entre o estresse oxidativo, as mudanças epigenéticas e o câncer, os pesquisadores trataram parte das culturas com uma substância sequestradora de ânion superóxido conhecida como Mn(III)TBAP e observaram que o processo de transformação em melanoma foi drasticamente reduzido.

“Depois que as células foram estressadas, nós fizemos uma clonagem e isolamos alguns clones para avaliar se eram ou não tumorais”, contou a pesquisadora.

Nas culturas que não foram tratadas com o sequestrador de ânion superóxido, todos os clones selecionados eram malignos. Já nas células que receberam o Mn(III)TBAP, um número muito reduzido de clones se formou e a maioria deles morreu. Entre os poucos que se mostraram viáveis para o cultivo, uma parcela ainda menor se revelou tumorigênica.

“A maioria dos clones das células tratadas com o sequestrador morreu. Acreditamos que isso tenha acontecido porque o aumento das espécies reativas de oxigênio é importante para manter as células vivas em uma situação estressante”, explicou Jasiulionis.

Os resultados do experimento foram divulgados em artigo publicado na revista PLoS One.

No momento, o grupo realiza experimentos semelhantes com astrócitos humanos – células do sistema nervoso central que, ao se tornarem malignas, dão origem a um tumor conhecido como glioblastoma. Pretendem ainda estudar a transformação dos queratinócitos, também da pele, em carcinoma.

“Nosso objetivo é entender até que ponto o estresse celular é capaz de contribuir para a transformação maligna de vários tipos celulares, além do melanócito. Esse conhecimento poderá, no futuro, ajudar a identificar novos alvos terapêuticos contra o câncer”, avaliou a pesquisadora.

De acordo com Jasiulionis, o estudo poderá também trazer informações relevantes sobre a relação entre condições que resultam na produção aumentada de espécies reativas de oxigênio e o desenvolvimento de doenças, como o câncer.

Biotecnologia

O papel das espécies reativas de oxigênio (ROS, na sigla em inglês) na indução da morte celular e no desenvolvimento de doenças também foi tema da palestra de Marcus Conrad, pesquisador do Helmholtz Zentrum München, da Alemanha.

O cientista apresentou um projeto intitulado ROScue Therapeutics, cujo objetivo é identificar drogas capazes de prevenir a morte celular e, consequentemente, a falência dos órgãos relacionados.

Em seguida, o professor da Universidade Estadual Paulista (Unesp) em São José do Rio Preto Preto Raghuvir Krishnaswamy Arni falou sobre as atividades que estão sendo realizadas no Centro Multiusuário de Inovação Biomolecular (CMIB), criado comapoio da FAPESP.

Com auxílio de técnicas de biologia estrutural e biologia molecular, o grupo liderado por Arni tem se dedicado a estudar proteínas secretadas por bactéria e vírus com o objetivo de descobrir formas de inibir a ação patogênica e orientar o processo de desenvolvimento de novas drogas. O centro também estuda proteínas presentes em toxinas de animais como cobras, aranhas, vermes, entre outros.

Arni destacou ainda as colaborações que já mantém com centros da Alemanha, como a Universität Hamburg, o Deutsches Elektronen-Synchrotron e a Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

A última palestrante do painel de Biotecnologia foi Christiane Geiger, pesquisadora da Trianta Immunotherapies GmbH, uma spin off do Helmholtz Zentrum München que vem se dedicando a desenvolver vacinas capazes de fortalecer a imunidade contra o câncer. 

Pesquisadores da Unifesp investigam as alterações epigenéticas induzidas pelo estresse celular sustentado e seu papel no desenvolvimento do câncer. Resultados foram apresentados durante a FAPESP Week Munich (foto: K. Toledo)

Link:

http://agencia.fapesp.br/condicao_adversa_faz_celula_normal_da_pele_se_transformar_em_melanoma/20045/

A biologist eating for two

Posted on May 8, 2014 by Jeanne L. D. Osnas

This is a bit tangential to our usual fare, but I think it’s fun, and you may as well. A friend of mine, Cara Bertron, edits the creative and delightful quarterly compendium Pocket Guide. I submitted this image, entitled “A biologist eating for two,” for the current issue, which is themed “secret recipes.” It’s a cladogram (picture of the phylogenetic relationships) of all the (multicellular) organisms I (knowingly) ate when I was pregnant with my now two-year-old daughter. You’ll notice that I’ve mostly only organized the plants by family (instead of further by subfamily clade, genus or species, although there are a few exceptions, like in the Rosaceae and Brassicaceae). The illustrated relationships within other groups of organisms (for example, “mammals” or “fish”) are undoubtedly looser than that. I intend the figure to be more conceptually intriguing than factually informative, although I know that at least the plant phylogeny is right. The plant phylogeny is from phylomatic, and the remaining relationships are from Tree of Life. I made the figure using phylocom and Mesquite. Click on image to enlarge.

Link:

http://botanistinthekitchen.wordpress.com/2014/05/08/a-biologist-eating-for-two/

What you need to know about bacteria

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