L-asparaginase de Erwinia chrysanthemi: expressão proteica livre de células e bioconjugação a bacteriófagos / L-asparaginase from Erwinia chrysanthemi: cell-free protein expression and bioconjugation to bacteriophages

A L-Asparaginase (L-ASNase) de Erwinia chrysathemi (ErA) é uma enzima amplamente utilizada para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda (LLA). Embora o seu uso como segunda linha de tratamento para a LLA tenha proporcionado consideráveis benefícios clínicos, reações de hipersensibilidade e rápida depuração plasmática ainda são problemas recorrentes. Ademais, extensivos e custosos processos de produção da ErA são necessários para a obtenção da enzima pura. Com base nesses problemas, o presente trabalho propõe (1) o estudo de viabilidade de expressão da ErA em um sistema de síntese proteica livre de células (SPLC) e (2) a conjugação da proteína em bacteriófagos como ferramenta alternativa para o isolamento e monitoramento da depuração plasmática da ErA. Foram utilizados extratos celulares de Escherichia coli suplementados com solução energética contendo creatina fosfato (CP) como fonte de energia para síntese in vitro de ErA. Para conjugação da ErA a bacteriófagos, o sistema SpyTag/SpyCatcher foi implementado: SpyCatcher foi fusionado à porção N-terminal da ErA e bacteriófagos filamentosos da linhagem M13 e fd foram modificados de modo a expressar SpyTag nas proteínas de capsídeo pIII e pVIII, respectivamente. Em relação ao primeiro objetivo, o sistema de SPLC foi capaz de expressar a ErA com atividade. A proteína foi expressa na fração solúvel e apresentou atividade enzimática significativamente superior em relação à reação controle (7,07 ± 0,68 U/mL vs. 1,83 ± 0,14 U/mL). Tempo necessário para obtenção do extrato celular foi reduzido de 45 para 26 hrs, e sete componentes da solução energética foram removidos da composição original sem implicações negativas na eficiência de expressão da ErA, simplificando desta forma o processo de SPLC. Em relação ao segundo objetivo, ErA fusionada à SpyCatcher (SpyCatcher_ErA) foi conjugada com êxito em bacteriófagos capazes de expressar SpyTag fusionadas na porção N-terminal das proteínas pIII (SpyTag_pIII) e pVIII (SpyTag_pVIII). A porcentagem de formação dos conjugados entre SpyCatcher_ErA e SpyTag_pIII ((ErA)5-pIII) foi de 6% enquanto formação dos conjugados entre SpyCatcher_ErA e SpyTag_pVIII ((ErA)50-pVIII) foi de 46%, valores estes confirmados por atividade enzimática. Solução contendo conjugados foram injetados em camundongos e sequenciados/titulados com êxito. Não houve diferença de depuração plasmática entre (ErA)5-pIII e bacteriófago controle, mas houve maior taxa de eliminação de (ErA)50-pVIII em relação ao mesmo bacteriófago não conjugado à SpyCatcher_ErA. Os resultados aqui apresentados confirmam ser possível expressar ErA com atividade biológica em sistemas de SPLC. Além disso, o sistema de conjugação da ErA a bacteriófagos aqui desenvolvido foi capaz de monitorar a concentração de ErA presente na circulação em função do tempo, tornando-se uma potencial plataforma de desenvolvimento de novas proteoformas da ErA com características clínicas melhoradas

L-Asparaginase (L-ASNase) from Erwinia chrysanthemi (ErA) is a widely used enzyme for treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL). Although its use as a second-line treatment has provided significant clinical benefits, hypersensitivity reactions and a fast clearance rate are recurring L-ASNase-related problems. In addition, extensive and costly production processes are required for the manufacturing of pure ErA. Based on these drawbacks, this current work proposes (1) the study of the use of a cell-free protein synthesis (CFPS) system as a viable platform for the synthesis of ErA and (2) the conjugation of the protein on bacteriophages as an alternative tool for the isolation and monitoring of ErA clearance. Escherichia coli-derived cell extracts supplemented with a creatine phosphate-based energy solution were used to synthesize ErA in vitro. To conjugate ErA on bacteriophages, the SpyTag/SpyCatcher system was implemented: SpyCatcher was fused to the N-terminus of the ErA while filamentous phage strains M13 and fd were engineered in order to display SpyTag on their pIII and pVIII capsid proteins, respectively. Regarding the first goal, the CFPS system was able to express an active ErA. The protein was expressed in the soluble fraction and there presented a significant higher enzymatic activity compared to the control reaction (7.07 ± 0.68 U/mL vs. 1.83 ± 0.14 U/mL). Time required to obtain the cell extract was reduced from 45 to 26 hours, and seven energy solution reagents were removed from the original solution without compromising the efficiency of ErA expression, thus simplifying the CFPS process. With respect to the second goal, ErA fused to SpyCatcher (SpyCatcher_ErA) was sucessfully conjugated on bacteriophages capable of displaying SpyTag fused to the Nterminus of the pIII (SpyTag_pIII) or pVIII (SpyTag_pVIII) proteins. Percentage of conjugate formation between SpyCatcher_ErA and SpyTag_pIII (ErA)5-pIII was 6% whereas conjugate formation between SpyCatcher_ErA and SpyTag_pVIII (ErA)50-pVIII was 46%, values that were confirmed by enzymatic activity. Sample containing conjugates were injected into mice and sucessfully sequenced/titrated. No clearance differences were observed between (ErA)5- pIII and a control bacteriophage, but a higher clearance rate was observed for (ErA)50-pVIII compared to SpyTag_VIII non conjugated to SpyCatcher_ErA. The results here presented confirm the expression of a biologically active ErA from a CFPS system. Besides, the development of a conjugation system capable of linking ErA to bacteriophages could be used as a means to monitor the ErA concentration in the blood as a function of time and also as a potential platform to be used in the development of novel ErA proteoforms with improved clinical properties

Guanidinoacetic acid supplementation on growth performance and molecular mechanisms of lean mass gain in nursery pigs / Suplementação de ácido guanidinoacético no desempenho e mecanismo moleculares de ganho de massa magra em leitões

ABSTRACT: The objective with the present study was to evaluate the effect of guanidinoacetic acid (GAA) on the growth performance of nursery piglets as well as a possible molecular mechanism of action on lean mass gain. Seventy-two pigs, weaned at 21 d, weighing 6.80 ± 1.2 kg were distributed in a completely randomized design into one of three dietary treatments (control, control + 1.2 g/kg GAA or control + 2.4 g/kg GAA) and 8 replicates per treatment. The control diet was an animal protein-free diet based on corn and soybean meal. Body weight, average daily weight gain, average daily feed intake and feed efficiency were evaluated at 35, 49, and 56 days. At the end of the experiment, one animal per pen was slaughtered and samples of the vastus lateralis muscle were collected for RT-qPCR and protein abundance analysis. Overall (from 21 to 56 d), GAA supplementation improved feed efficiency (P < 0.03). Skeletal muscle of pigs fed with GAA diet had greater mRNA expression of Akt (P < 0.04) and RPS6KB2 (P<0.01). In conclusion, supplementation with 2.4 g/kg GAA to nursery piglets improves feed efficiency and activates molecular mechanisms important to lean mass gain.

RESUMO: O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito do ácido guanidinoacético (GAA) no desempenho de leitões, bem como um possível mecanismo de ação molecular no ganho de massa magra. Setenta e dois leitões, desmamados aos 21 dias, pesando 6,80 ± 1,2 kg, foram distribuídos em um delineamento inteiramente casualizado com três tratamentos dietéticos (controle, controle + 1,2 g / kg ou controle + 2,4 g / kg GAA) e 8 repetições por tratamento. A dieta controle não continha proteína animal e foi formulada a base de milho e farelo de soja. O desempenho dos animais foi avaliado aos 35, 49 e 56 dias. Ao final do experimento, um animal por unidade experimental foi abatido e amostras do músculo Vastus lateralis foram coletadas para análise de RT-qPCR e abundância de proteínas. A suplementação com GAA melhorou a eficiência alimentar (P<0,03) aos 56 dias. O músculo dos leitões suplementados apresentou maior expressão de mRNA de Akt (P<0,04) e RPS6KB2 (P <0,01). Em conclusão, a suplementação de 2,4 g / kg de GAA em leitões (21 a 56 d) melhora a eficiência alimentar e ativa mecanismos moleculares importantes para o ganho de massa magra.

Efeitos da suplementação crônica de L-arginina sobre a expressão de proteínas envolvidas na regulação da síntese proteica muscular em ratos treinados em exercícios de alta intensidade / Effects of chronic supplementation of L-arginine on the expression of proteins involved in the regulation of muscle protein synthesis in muscle of trained rats in high-intense Exercise

A arginina é um aminoácido condicionalmente essencial que participa de inúmeras reações metabólicas no organismo como, por exemplo, o ciclo da uréia, a síntese de creatina e a geração de óxido nítrico (NO). Além dessas funções a arginina é associada, com a sensibilidade à insulina, a secreção de GH e mais recentemente com a síntese protéica muscular. O objetivo deste trabalho foi investigar o efeito da suplementação via oral crônica de L-arginina sobre a síntese protéica muscular, pela via da mTOR, a fim de contribuir com as novas discussões científicas acerca deste aminoácido de ampla atuação. Métodos: Foram utilizados ratos wistar machos adultos com cerca de 200g de peso corporal divididos em quatro grupos de quatorze animais denominados na seguinte forma: Arginina Treinado (AT), Arginina Sedentário (AS), Dieta-Controle Treinado (CT) e Dieta-Controle Sedentário (CS). Ambas as dietas foram elaboradas com base das recomendações da AIN-93, sendo que a dieta enriquecida com arginina recebeu acréscimo de 2% deste aminoácido e a dieta controle recebeu um mix de aminoácidos não essenciais para garantir que ambas fossem isonitrogenadas e isocalóricas e as proporções de aminoácidos presente nas rações foi conferida por aminograma. O treinamento dos animais consistiu em exercício anaeróbio com sessões que eram compostas de 4 séries de 10 saltos com um minuto de descanso entre estas em tanque de água. Os saltos eram desempenhados com carga de 50% do peso corporal acoplado ao tórax dos animais na freqüência de 5 dias por semana por 6 semanas. A evolução da massa corporal dos animais bem como o consumo de ração foram avaliadas três vezes por semana e estimada uma média semanal. Foram realizados testes de tolerância oral à glicose (OGTT) e tolerância à insulina (ITT) no início e ao final do experimento em todos os animais para avaliar alterações na sensibilidade à insulina. Após 72hs da última sessão de treinamento os animais foram anestesiados para infusão de insulina, coleta dos músculos gastrocnêmio e plantar, fígado, sangue e eutanasiados conforme protocolo aprovado pelo CEA-USP. As análises bioquímicas foram determinações séricas de insulina, GH, IGF-1 e a proteína transportadora de IGF-1 (IGFBP-3), glicose plasmática, uréia e creatinina séricas, IGF-1 muscular e hepático por kits comerciais de tecnologia multiplex Luminex e aminograma sérico por cromatografia. As análises moleculares foram realizadas para as proteínas chaves envolvidas na via de síntese protéica muscular em sua forma total e fosforilada, sendo estas: IRS-1, Akt, mTOR, 4E-BP1 e p70S6K determinadas por método de western blotting. Resultados: Não foram encontradas diferenças estatisticamente significativas nos parâmetros avaliados com exceção da creatinina que se mostrou mais elevada nos grupos suplementados com arginina. A suplementação de arginina, nas concentrações administradas, bem como o exercício de alta intensidade pelo período determinado não foram capazes de alterar a expressão das proteínas envolvidas na regulação de síntese protéica muscular de ratos nem a sensibilidade celular à insulina. Conclusão: não houve aumento da síntese protéica muscular com a suplementação de arginina, nestas condições experimentais

The arginine is an amino acid conditionally essential that participates in innumerous metabolic reactions in the body like, for instance, the urea cycle, the synthesis of creatine and production of nitric oxide (NO). Besides those functions the arginine is associated, with the insulin sensitivity, GH secretion and most recently with muscle protein synthesis. The aim of this work was to investigate the effect of L-arginine chronic oral supplementation on the muscle protein synthesis, through mTOR pathway, in order to contribute with new scientific discussions about this broad action amino acid. Methods: Wistar male adult rats were used with about 200g body weight distribute into four groups of fourteen animals named this way: Trained Arginine (TA), sedentary Arginine (SA), Trained Diet-Control (TC) and Sedentary Diet-control (SC). Both diets were elaborated based on the AIN-93 recommendations, considering that the enriched diet with arginine was added 2% of this amino acid and the control diet received a mix of non-essential amino acid in order to ensure that both were isonitrogenous and isocaloric and the proportions of present amino acids in the rations have been checked through aminogram. The animals training consisted of anaerobic exercise with sections composed by four jump series, with one minute rest among these in a PVC cube water. The jumps were performed with a load of 50% of their body weight attached in the animal's trunk, five days a week over six weeks. The animals' body weight evolution as well as the food intake were evaluated three times a week in order to figure a weekly average. Oral glucose test tolerance (OGTT) and insulin test tolerance (ITT) have been done in the beginning and in the end of the experiment in all animals to evaluate insulin sensitive changes. The animals were anesthetized to insulin infusion, gastrocnemic and plantaris muscles, liver and blood collects 72 hrs after the last training section and afterwards sacrificed according to CEA-USP approved protocol. The biochemical analysis were blood determination of insulin, GH, IGF-1 and its binding protein 3 (IGFBP-3), glucose, urea and creatinine, and muscle and liver IGF-1 through commercial kits of multiplex Luminex technology and seric aminogram through chromatography. The molecular analysis were performed for the key proteins of the muscle protein synthesis pathway in its total and phosphorylated form: IRS-1, Akt-1, mTOR, 4E-BP1 and p70S6K determined by western blotting method. Results: Significant statistical differences were not found to all evaluated biomarkers in this experiment except for creatinine which was more elevated in groups supplemented with arginine. The arginine supplementation, in these given doses, as well as the high-intense exercise, failed in stimulate both the expression of the proteins involved in the muscle protein synthesis regulation and the insulin sensitivity in the rats in this condition. Conclusion: There hasn't been any increase in the muscle protein synthesis with arginine supplementation, in these experimental conditions

Protein synthesis regulation by leucine / Regulação da síntese de proteína pela leucina

In vivo and in vitro studies have demonstrated that high protein diets affect both protein synthesis and regulation of several cellular processes. The role of amino acids as substrate for protein synthesis has been established in the literature. However, the mechanism by which these amino acids modulate transcription and regulate the mRNA translation via mTOR-dependent signaling pathway has yet to be fully determined. It has been verified that mTOR is a protein responsible for activating a cascade of biochemical intracellular events which result in the activation of the protein translation process. Of the aminoacids, leucine is the most effective in stimulating protein synthesis and reducing proteolysis. Therefore, it promotes a positive nitrogen balance, possibly by favoring the activation of this protein. This amino acid also directly and indirectly stimulates the synthesis and secretion of insulin, enhancing its anabolic cellular effects. Therefore, this review aimed to identify the role of leucine in protein synthesis modulation and to discuss the metabolic aspects related to this aminoacid.

Estudos in vivo e in vitro verificaram que dietas hiperprotéicas influenciam a síntese protéica e regulam vários processos celulares. O papel dos aminoácidos como substrato para a síntese de proteínas já está bem evidenciado na literatura, porém as formas como esses aminoácidos modulam a etapa da transcrição e regulam a tradução do RNAm, pela via de sinalização dependente da mTOR, ainda não estão totalmente esclarecidas. Tem-se verificado que a mTOR é uma proteína responsável por ativar uma cascata de eventos bioquímicos intracelulares que culminam na ativação do processo de tradução protéica. Dentre todos os aminoácidos, a leucina é a mais eficaz em estimular a síntese protéica, reduzir a proteólise e, portanto, favorecer o balanço nitrogenado positivo, possivelmente por favorecer a ativação desta proteína. Além disso, este aminoácido estimula direta e indiretamente a síntese e a secreção de insulina, e, assim, aumenta as propriedades anabólicas celulares. Nesse sentido, a presente revisão tem como objetivo identificar o papel da leucina na modulação da síntese protéica e abordar aspectos metabólicos relacionados a este aminoácido.

Aspectos atuais sobre aminoácidos de cadeia ramificada e exercício físico: [revisão] / Current aspects of branched chain amino acid and exercise: [revision]

Em humanos saudáveis, nove aminoácidos são considerados essenciais, uma vez que não podem ser sintetizados endogenamente e, portanto, devem ser ingeridos por meio da dieta. Dentre os aminoácidos essenciais, se incluem os três aminoácidos de cadeia ramificada, ou seja, leucina, valina e isoleucina. Esses aminoácidos participam da regulação do balanço protéico corporal além de serem fonte de nitrogênio para a síntese de alanina e glutamina. No tocante à regulação da síntese protéica muscular, verifica-se que a leucina age estimulando a fase de iniciação da tradução do RNA-mensageiro em proteína, por mecanismos tanto dependentes quanto independentes de insulina. No que concerne ao exercício físico, supõe-se que esses aminoácidos estejam envolvidos na fadiga central, no balanço protéico muscular, na secreção de insulina, na modulação da imunocompetência, no aumento da performance de indivíduos que se exercitam em ambientes quentes e na diminuição do grau de lesão muscular. Nesse contexto, essa revisão aborda os aspectos atuais do metabolismo e da suplementação de aminoácidos de cadeia ramificada no exercício físico.

In healthy humans, nine amino acids are considered to be essential once they cannot be endogenously synthesised and must therefore be ingested in the diet. Amongst the essential amino acids are the three branched chain amino acids, namely, leucine, valine and isoleucine. These amino acids participate in the regulation of protein balance in addition to being nitrogen sources for the synthesis of alanine and glutamine. As to the regulation of muscle protein synthesis, leucine acts in the stimulation of initiation of mRNA translation into protein, both through mechanisms that are dependent and independent of insulin. In the physiology of physical exercise, these branched amino acids play a role in central fatigue hypothesis, in muscle protein balance, in the secretion of insulin, in the modulation of the immune response, in performance enhancement of individuals who work out in hot environments, and in avoiding muscle lesion. This review approaches all aspects of the metabolism of and supplementation with branched chain amino acids in physical exercise.

A suplementação de L-arginina promove implicações ergogênicas no exercício físico? Evidências e considerações metabólicas / Does L-arginine supplementation promote ergogenic implications on exercise? Evidences and metabolic considerations

Um número crescente de pesquisas envolvendo a suplementação de aminoácidos isolados sobre o desempenho físico vem sendo realizado, mas os efeitos e os possíveis mecanismos de ação de muitos deles ainda permanecem inconclusivos. Destes, um aminoácido que vem sendo amplamente estudado, e que já faz parte da composição de inúmeros suplementos nutricionais, é a L-arginina pelo seu possível papel na estimulação da secreção do hormônio do crescimento (GH) e da insulina, além de ser um indutor da vasodilatação dependente de óxido nítrico (NO). Diversos estudos indicam que a suplementação de L-arginina pode estimular signifi cativa secreção do GH no repouso e, quando associada ao exercício, pode promover um feedback hipotalâmico negativo com conseqüente diminuição da secreção deste hormônio. A síntese protéica muscular tem sido associado à vasodilatação promovida pela L-arginina o que, em parte, pode ser considerado errôneo pelo fato desta isoladamente não aumentar a disponibilidade de substratos para recuperação muscular. Contudo, estudos que envolvem L-arginina e desempenho esportivo, bem como aqueles investigam dose e tempo de consumo desse aminoácido, são confl itantes e refl etem a escassez de trabalhos nesse contexto. A presente revisão descreve os aspectos metabólicos e possíveis efeitos ergogênicos da suplementação de L-arginina sobre o exercício físico.

A growing number of studies involving isolated aminoacids supplementation on physical performance have been achieved, but the effects and possible mechanisms of action of many of them still remain unclear. Of these, an amino acid that has been widely studied, and that is already part of the composition of many nutritional supplements, is L-arginine for its possible role in stimulating growth hormone (GH) and insulin release, beyond to be a nitric oxide dependent vasodilation inducer (NO). Several studies indicate that L-arginine supplementation can signifi cantly stimulate basal GH release and, when associated with exercise, can promote a negative hypothalamic feedback with consequent attenuation of release. Skeletal muscle protein synthesis has been associated with L-arginine-induced vasodilation which, in part, can be considered erroneous because alone it does not increase substrates availability for muscle recovery. However, studies involving L-arginine and exercise performance, as well as those investigating dose and time of consumption of this aminoacid are confl icting and refl ect the shortage of works in this context. This review describes the metabolic aspects and possible ergogenic effects of L-arginine supplementation on exercise.

Efeitos da suplementação de creatina e do treinamento de potência sobre a performance e a massa corporal magra de ratos / Effects of creatine supplementation and power training on performance and lean body mass of rats

INTRODUÇÃO: A creatina é um dos suplementos mais usados por atletas para incrementar a síntese protéica e aumentar a massa e força muscular. OBJETIVO: Investigou-se os efeitos da suplementação de creatina associada a um programa de treinamento de potência (saltos verticais) sobre a performance e a composição da massa corporal magra de ratos Wistar. MÉTODOS: Ratos Wistar adultos foram distribuídos em quatro grupos: SSC (sedentário sem creatina); SC (sedentário com creatina); ESC (exercício sem creatina) e EC (exercício com creatina). Os animais receberam água e ração ad libitum. Os grupos SC e EC ingeriam dose de creatina diariamente, adotando o procedimento de carga (0,430g/kg p.c. por 7 dias) e manutenção (0,070g/kg p.c. por 6 semanas). Os grupos EC e ESC foram submetidos a um regime progressivo de saltos verticais (5x10 saltos com 1 min de intervalo) em tanque com água, 5 dias/semana, durante 7 semanas. A performance foi avaliada pelo tempo de execução das 5 séries de 10 saltos verticais e a composição da massa corporal magra (músculos e ossos) foi avaliada pelas porções: água, proteína e gordura. RESULTADOS: A performance não foi afetada pela ingestão de creatina (p > 0,05). Os animais suplementados tiveram o percentual de proteína elevado e o de gordura reduzido (p < 0,05), independente do treinamento. Os animais exercitados exibiram maior percentual de proteína, e menor de gordura, além de menor ganho de peso corporal, comparados com os sedentários, independente da suplementação (p < 0,05). Não houve diferença para o percentual de água e consumo alimentar (p > 0,05). CONCLUSÃO: A suplementação de creatina não afetou a performance dos animais, mas alterou a massa corporal magra. A suplementação de creatina e o programa de treinamento de potência, de forma independente, elevaram o percentual de proteína dos músculos e ossos e reduziram o percentual de gordura, sem alterar o percentual de água.

INTRODUCTION: Creatine is one of the supplements most used by athletes in order to increase protein synthesis and consequently muscle mass and strength. OBJECTIVE: This study investigated the effects of creatine intake on the performance and lean body mass of Wistar rats. METHODS: Male Wistar rats were allocated into one of the four groups: sedentary without creatine (S); Sedentary with creatine (SC); exercise without creatine (E); and exercise with creatine (EC) and received water and chow ad libitum. Those animals in SC and EC groups ingested creatine daily (0.430 g/kg body weight for 7 days and 0.070 g/kg body weight for the following 6 weeks). Animals from E and EC groups underwent a progressive vertical jump regimen (5 x 10 jumps with 1 min. resting interval) in a tank filled with water at 30 ± 1ºC, 5 days/wk for 7 weeks. Performance was assessed by taking the time to perform 5 x 10 vertical jumps. The contents of water, fat and protein of the rat's muscles and bones were measured. RESULTS: The performance was not affected by creatine intake (P > 0.05). Animals supplemented with creatine had an increased percentage of protein and a reduced percentage of fat (P < 0.05), regardless the exercise training. Exercised animals exhibited a higher percentage of protein and a lower percentage of fat and gained less body weight when compared to sedentary animals (P < 0.05), regardless the creatine supplementation. There was no difference between groups for water content and food intake (P > 0.05). CONCLUSION: Creatine supplementation did not affect performance of the animals. Nevertheless, it altered the lean body mass. Creatine supplementation as well as the power training program, independently, raised the protein percentage of the muscles and bones and reduced the fat percentage, with no alteration in the water percentage.