Enhancing itaconic acid production by Aspergillus terreus

Aspergillus terreus is successfully used for industrial production of itaconic acid. The acid is formed from cis-aconitate, an intermediate of the tricarboxylic (TCA) cycle, by catalytic action of cis-aconitate decarboxylase. It could be assumed that strong anaplerotic reactions that replenish the pool of the TCA cycle intermediates would enhance the synthesis and excretion rate of itaconic acid. In the phylogenetic close relative Aspergillus niger, upregulated metabolic flux through glycolysis has been described that acted as a strong anaplerotic reaction. Deregulated glycolytic flux was caused by posttranslational modification of 6-phosphofructo-1-kinase (PFK1) that resulted in formation of a highly active, citrate inhibition-resistant shorter form of the enzyme. In order to avoid complex posttranslational modification, the native A. niger pfkA gene has been modified to encode for an active shorter PFK1 fragment. By the insertion of the modified A. niger pfkA genes into the A. terreus strain, increased specific productivities of itaconic acid and final yields were documented by transformants in respect to the parental strain. On the other hand, growth rate of all transformants remained suppressed which is due to the low initial pH value of the medium, one of the prerequisites for the accumulation of itaconic acid by A. terreus mycelium. © 2010 Springer-Verlag.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Altérations du métabolisme cardiaque associées à des désordres génétiques de l’oxydation des acides gras à chaîne longue chez la souris

Bien que le changement dans le choix des substrats énergétiques des acides gras (AGs) vers les glucides soit considéré comme bénéfique pour le cœur insuffisant, il n’est pas clair à savoir pourquoi les patients atteints de désordres de la β-oxydation (β-OX) des AGs à chaîne longue (AGCLs) développent des troubles du rythme et des cardiomyopathies. De plus, le traitement actuel ne permet pas de prévenir l’apparition du phénotype clinique chez tous les patients, spécifiquement en condition de jeûne ou de stress. Ainsi, plusieurs modèles de souris déficientes pour des enzymes impliquées dans l’oxydation des acides gras ont été développés de manière à améliorer les connaissances de la maladie ainsi que les traitements offerts aux patients. À cet égard, cette étude vise à évaluer le phénotype métabolique et fonctionnel des cœurs de souris déficientes pour le récepteur activé de la prolifération des peroxysomes-α (PPARα), un facteur de transcription des gènes impliqués notamment dans la β-OX des AGs, et pour la déshydrogénase des acyl-CoA à très longue chaîne (very-long chain acyl-CoA dehydrogenase, VLCAD), le déficit de l’oxydation des AGCLs le plus commun chez l’humain. L’approche expérimentale utilisée comprend plusieurs techniques dont (i) la perfusion ex vivo de cœur de souris au travail combinée à l’utilisation de substrats marqués au carbone 13 (13C) et à l’analyse par chromatographie gazeuse-spectrométrie de masse (GCMS), (ii) l’analyse de l’expression génique par qPCR et (iii) l’analyse de l’activité électrique du cœur in vivo par télémétrie. De manière inattendue, les résultats de cette étude menée chez la souris ont permis de mettre en évidence que des déficits pour des protéines impliquées dans l’oxydation des AGCLs sont associés à des altérations du métabolisme (i) des glucides, (ii) des AGs polyinsaturés (AGPIs), et (iii) mitochondrial, incluant l’anaplérose, en plus d’être liés à des désordres de la fonction électrique du cœur, à savoir une prolongation du segment QTc. Pris dans leur ensemble, les résultats de cette thèse pourraient servir à l’élaboration de nouvelles interventions métaboliques destinées à améliorer les traitements possibles et donc, la qualité de vie des patients atteints de désordres héréditaires de la β-OX des AGCLs.

Influence du microbiote intestinal sur le métabolisme et la virulence des Escherichia coli entérohémorragiques

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) représentent un problème majeur de santé publique dans les pays développés. Les EHEC sont régulièrement responsables de toxi-infections alimentaires graves chez l’humain et causent des colites hémorragiques et le symptôme hémolytique et urémique, mortel chez les enfants en bas âge. Les EHEC les plus virulents appartiennent au sérotype O157:H7 et le bovin constitue leur réservoir naturel. À ce jour il n’existe aucun traitement pour éviter l’apparition des symptômes liés à une infection à EHEC. Par conséquent, il est important d’augmenter nos connaissances sur les mécanismes employés par le pathogène pour réguler sa virulence et coloniser efficacement la niche intestinale. Dans un premier temps, l’adaptation de la souche EHEC O157:H7 EDL933 à l’activité métabolique du microbiote intestinal a été étudiée au niveau transcriptionnel. Pour se faire, EDL933 a été cultivée dans les contenus caecaux de rats axéniques (milieu GFC) et dans ceux provenant de rats colonisés par le microbiote intestinal humain (milieu HMC). Le HMC est un milieu cécal conditionné in vivo par le microbiote. Dans le HMC par rapport au GFC, EDL933 change drastiquement de profile métabolique en réponse à l’activité du microbiote et cela se traduit par une diminution de l’expression des voies de la glycolyse et une activation des voies de l’anaplérose (voies métaboliques dont le rôle est d’approvisionner le cycle TCA en intermédiaires métaboliques). Ces résultats, couplés avec une analyse métabolomique ciblée sur plusieurs composés, ont révélé la carence en nutriments rencontrée par le pathogène dans le HMC et les stratégies métaboliques utilisées pour s’adapter au microbiote intestinal. De plus, l’expression des gènes de virulence incluant les gènes du locus d’effacement des entérocytes (LEE) codant pour le système de sécrétion de type III sont réprimés dans le HMC par rapport au GFC indiquant la capacité du microbiote intestinal à réprimer la virulence des EHEC. L’influence de plusieurs composés intestinaux présents dans les contenus caecaux de rats sur l’expression des gènes de virulence d’EDL933 a ensuite été étudiée. Ces résultats ont démontré que deux composés, l’acide N-acétylneuraminique (Neu5Ac) et le N-acétylglucosamine (GlcNAc) répriment l’expression des gènes du LEE. La répression induite par ces composés s’effectue via NagC, le senseur du GlcNAc-6-P intracellulaire et le régulateur du catabolisme du GlcNAc et du galactose chez E. coli. NagC est un régulateur transcriptionnel inactivé en présence de GlcNAc-6-P qui dérive du catabolisme du Neu5Ac et du transport GlcNAc. Ce travail nous a permis d’identifier NagC comme un activateur des gènes du LEE et de mettre à jour un nouveau mécanisme qui permet la synchronisation de la virulence avec le métabolisme chez les EHEC O157:H7. La concentration du Neu5Ac et du GlcNAc est augmentée in vivo chez le rat par le symbiote humain Bacteroides thetaiotaomicron, indiquant la capacité de certaines espèces du microbiote intestinal à relâcher les composés répresseurs de la virulence des pathogènes. Ce travail a permis l’identification des adaptations métaboliques des EHEC O157:H7 en réponse au microbiote intestinal ainsi que la découverte d’un nouveau mécanisme de régulation de la virulence en réponse au métabolisme. Ces données peuvent contribuer à l’élaboration de nouvelles approches visant à limiter les infections à EHEC.

Application of dynamic metabolomics to examine in vivo skeletal muscle glucose metabolism in the chronically high-fat fed mouse.

RATIONALE: Defects in muscle glucose metabolism are linked to type 2 diabetes. Mechanistic studies examining these defects rely on the use of high fat-fed rodent models and typically involve the determination of muscle glucose uptake under insulin-stimulated conditions. While insightful, they do not necessarily reflect the physiology of the postprandial state. In addition, most studies do not examine aspects of glucose metabolism beyond the uptake process. Here we present an approach to study rodent muscle glucose and intermediary metabolism under the dynamic and physiologically relevant setting of the oral glucose tolerance test (OGTT). METHODS AND RESULTS: In vivo muscle glucose and intermediary metabolism was investigated following oral administration of [U-(13)C] glucose. Quadriceps muscles were collected 15 and 60 min after glucose administration and metabolite flux profiling was determined by measuring (13)C mass isotopomers in glycolytic and tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates via gas chromatography-mass spectrometry. While no dietary effects were noted in the glycolytic pathway, muscle from mice fed a high fat diet (HFD) exhibited a reduction in labelling in TCA intermediates. Interestingly, this appeared to be independent of alterations in flux through pyruvate dehydrogenase. In addition, our findings suggest that TCA cycle anaplerosis is negligible in muscle during an OGTT. CONCLUSIONS: Under the dynamic physiologically relevant conditions of the OGTT, skeletal muscle from HFD fed mice exhibits alterations in glucose metabolism at the level of the TCA cycle.

In vivo cardiac glucose metabolism in the high-fat fed mouse: comparison of euglycemic-hyperinsulinemic clamp derived measures of glucose uptake with a dynamic metabolomic flux profiling approach

Rationale Cardiac metabolism is thought to be altered in insulin resistance and type 2 diabetes (T2D). Our understanding of the regulation of cardiac substrate metabolism and insulin sensitivity has largely been derived from ex vivo preparations which are not subject to the same metabolic regulation as in the intact heart in vivo. Studies are therefore required to examine in vivo cardiac glucose metabolism under physiologically relevant conditions. Objective To determine the temporal pattern of the development of cardiac insulin resistance and to compare with dynamic approaches to interrogate cardiac glucose and intermediary metabolism in vivo. Methods and results Studies were conducted to determine the evolution of cardiac insulin resistance in C57Bl/6 mice fed a high-fat diet (HFD) for between 1 and 16 weeks. Dynamic in vivo cardiac glucose metabolism was determined following oral administration of [U-¹³C] glucose. Hearts were collected after 15 and 60 min and flux profiling was determined by measuring ¹³C mass isotopomers in glycolytic and tricarboxylic acid (TCA) cycle intermediates. Cardiac insulin resistance, determined by euglycemic-hyperinsulinemic clamp, was evident after 3 weeks of HFD. Despite the presence of insulin resistance, in vivo cardiac glucose metabolism following oral glucose administration was not compromised in HFD mice. This contrasts our recent findings in skeletal muscle, where TCA cycle activity was reduced in mice fed a HFD. Similar to our report in muscle, glucose derived pyruvate entry into the TCA cycle in the heart was almost exclusively via pyruvate dehydrogenase, with pyruvate carboxylase mediated anaplerosis being negligible after oral glucose administration. Conclusions Under experimental conditions which closely mimic the postprandial state, the insulin resistant mouse heart retains the ability to stimulate glucose metabolism.

Mitochondrial localization and structure-based phosphate activation mechanism of Glutaminase C with implications for cancer metabolism

Glutamine is an essential nutrient for cancer cell proliferation, especially in the context of citric acid cycle anaplerosis. In this manuscript we present results that collectively demonstrate that, of the three major mammalian glutaminases identified to date, the lesser studied splice variant of the gene gls, known as Glutaminase C (GAC), is important for tumor metabolism. We show that, although levels of both the kidney-type isoforms are elevated in tumor vs. normal tissues, GAC is distinctly mitochondrial. GAC is also most responsive to the activator inorganic phosphate, the content of which is supposedly higher in mitochondria subject to hypoxia. Analysis of X-ray crystal structures of GAC in different bound states suggests a mechanism that introduces the tetramerization-induced lifting of a "gating loop" as essential for the phosphate-dependent activation process. Surprisingly, phosphate binds inside the catalytic pocket rather than at the oligomerization interface. Phosphate also mediates substrate entry by competing with glutamate. A greater tendency to oligomerize differentiates GAC from its alternatively spliced isoform and the cycling of phosphate in and out of the active site distinguishes it from the liver-type isozyme, which is known to be less dependent on this ion.

Citric acid cycle flux and pressure-volume work in the isolated working rat heart

It has been demonstrated previously that the mammalian heart cannot sustain physiologic levels of pressure-volume work if ketone bodies are the only substrates for respiration. In order to determine the metabolic derangement responsible for contractile failure in hearts utilizing ketone bodies, rat hearts were prefused at a near-physiologic workload in a working heart apparatus with acetoacetate and competing or alternate substrates including glucose, lactate, pyruvate, propionate, leucine, isoleucine, valine and acetate. While the pressure-volume work for hearts utilizing glucose was stable for 60 minutes of perfusion, performance fell by 30 minutes for hearts oxidizing acetoacetate as the sole substrate. The tissue content of 2-oxoglutarate and its transamination product, glutamate, were elevated in hearts utilizing acetoacetate while succinyl-CoA was decreased suggesting impaired flux through the citric acid cycle at the level of 2-oxoglutarate dehydrogenase. Further studies indicated that the inhibition of 2-oxoglutarate dehydrogenase developed prior to the onset of contractile failure and that the inhibition of the enzyme may be related to sequestration of the required cofactor, coenzyme A, as the thioesters acetoacetyl-CoA and acetyl-CoA. The contractile failure was not observed when glucose, lactate, pyruvate, propionate, valine or isoleucine were present together with acetoacetate, but the addition of acetate or leucine to acetoacetate did not improve performance indicating that improved performance is not mediated through the provision of additional acetyl-CoA. Furthermore, addition of competing substrates that improved function did not relieve the inhibition of 2-oxoglutarate dehydrogenase and actually resulted in the further accumulation of citric acid cycle intermediates "upstream" of 2-oxoglutarate dehydrogenase (2-oxoglutarate, glutamate, citrate and malate). Studies with (1-$\sp{14}$C) pyruvate indicate that the utilization of ketone bodies is associated with activation of NADP$\sp+$dependent malic enzyme and enrichment of the C4 pool of the citric acid cycle. The results suggest that contractile failure induced by ketone bodies in rat heart results from inhibition of 2-oxoglutarate dehydrogenase and that reversal of contractile failure is dissociated from relief of the inhibition, but rather is due to the entry of carbon units into the citric acid cycle as compounds other than acetyl-CoA. This mechanism of enrichment (anaplerosis) provides oxaloacetate for condensation with acetyl-CoA derived from ketone bodies allowing continued energy production by sustaining flux through a span of the citric acid cycle up to the point of inhibition at 2-oxoglutarate dehydrogenase for energy production thereby producing the reducing equivalents necessary to sustain oxidative phosphorylation. ^