Later Life Consequences of Developmental Mitochondrial DNA Damage in C. elegans

Mitochondria are responsible for producing the vast majority of cellular ATP, and are therefore critical to organismal health [1]. They contain thir own genomes (mtDNA) which encode 13 proteins that are all subunits of the mitochondrial respiratory chain (MRC) and are essential for oxidative phosphorylation [2]. mtDNA is present in multiple copies per cell, usually between 103 and 104 , though this number is reduced during certain developmental stages [3, 4]. The health of the mitochondrial genome is also important to the health of the organism, as mutations in mtDNA lead to human diseases that collectively affect approximately 1 in 4000 people [5, 6]. mtDNA is more susceptible than nuclear DNA (nucDNA) to damage by many environmental pollutants, for reasons including the absence of Nucleotide Excision Repair (NER) in the mitochondria [7]. NER is a highly functionally conserved DNA repair pathway that removes bulky, helix distorting lesions such as those caused by ultraviolet C (UVC) radiation and also many environmental toxicants, including benzo[a]pyrene (BaP) [8]. While these lesions cannot be repaired, they are slowly removed through a process that involves mitochondrial dynamics and autophagy [9, 10]. However, when present during development in C. elegans, this damage reduces mtDNA copy number and ATP levels [11]. We hypothesize that this damage, when present during development, will result in mitochondrial dysfunction and increase the potential for adverse outcomes later in life.

To test this hypothesis, 1st larval stage (L1) C. elegans are exposed to 3 doses of 7.5J/m2 ultraviolet C radiation 24 hours apart, leading to the accumulation of mtDNA damage [9, 11]. After exposure, many mitochondrial endpoints are assessed at multiple time points later in life. mtDNA and nucDNA damage levels and genome copy numbers are measured via QPCR and real-time PCR , respectively, every 2 day for 10 days. Steady state ATP levels are measured via luciferase expressing reporter strains and traditional ATP extraction methods. Oxygen consumption is measured using a Seahorse XFe24 extra cellular flux analyzer. Gene expression changes are measured via real time PCR and targeted metabolomics via LC-MS are used to investigate changes in organic acid, amino acid and acyl-carnitine levels. Lastly, nematode developmental delay is assessed as growth, and measured via imaging and COPAS biosort.

I have found that despite being removed, UVC induced mtDNA damage during development leads to persistent deficits in energy production later in life. mtDNA copy number is permanently reduced, as are ATP levels, though oxygen consumption is increased, indicating inefficient or uncoupled respiration. Metabolomic data and mutant sensitivity indicate a role for NADPH and oxidative stress in these results, and exposed nematodes are more sensitive to the mitochondrial poison rotenone later in life. These results fit with the developmental origin of health and disease hypothesis, and show the potential for environmental exposures to have lasting effects on mitochondrial function.

Lastly, we are currently working to investigate the potential for irreparable mtDNA lesions to drive mutagenesis in mtDNA. Mutations in mtDNA lead to a wide range of diseases, yet we currently do not understand the environmental component of what causes them. In vitro evidence suggests that UVC induced thymine dimers can be mutagenic [12]. We are using duplex sequencing of C. elegans mtDNA to determine mutation rates in nematodes exposed to our serial UVC protocol. Furthermore, by including mutant strains deficient in mitochondrial fission and mitophagy, we hope to determine if deficiencies in these processes will further increase mtDNA mutation rates, as they are implicated in human diseases.

Differences In Metabolic Profile In the Testes of Streptozotocin Induced Diabetes Mellitus Mice As Detected By 1H NMR

Contrary to the traditional view, recent studies suggest that diabetes mellitus has an adverse influence on male reproductive function. Our aim was to determine the affect of diabetes on the testicular environment by identifying and then assessing perturbations in small molecule metabolites. Testes were obtained from control and streptozotocin induced diabetic C57BL/6 mice, two, four and eight weeks post treatment. Diabetic status was confirmed by HbA1c, non fasting blood glucose, physiological condition and body weight. Protein free, low molecular weight, water soluble extracts were assessed using 1H NMR spectroscopy. Principal Component Analysis of the derived profiles was used to classify any variations and specific metabolites were identified based on their spectral pattern. Characteristic metabolite profiles were identified for control and diabetic animals with the most distinctive being from mice with the greatest physical deterioration and loss of bodyweight. Eight streptozotocin treated animals did not develop diabetes and displayed profiles similar to controls. Diabetic mice had decreases in creatine, choline and carnitine and increases in lactate, alanine and myo-inositol. Betaine levels were found to be increased in the majority of diabetic mice but decreased in two animals with severe loss of body weight and physical condition. The association between perturbations in a number of small molecule metabolites known to be influential in sperm function, with diabetic status and physiological condition, adds further impetus to the proposal that diabetes influences important spermatogenic pathways and mechanisms in a subtle and previously unrecognised manner.

Metabolic profile changes in the testes of mice with streptozotocin-induced type 1 diabetes mellitus

Contrary to the traditional view, recent studies suggest that diabetes mellitus has an adverse influence on male reproductive function. Our aim was to determine the effect of diabetes on the testicular environment by identifying and then assessing perturbations in small molecule metabolites. Testes were obtained from control and streptozotocin-induced diabetic C57BL/6 mice, 2, 4 and 8 weeks post-treatment. Diabetic status was confirmed by glycated haemoglobin, non-fasting blood glucose, physiological condition and body weight. A novel extraction procedure was utilized to obtain protein free, low-molecular weight, water soluble extracts which were then assessed using H-1 nuclear magnetic resonance spectroscopy. Principal component analysis of the derived profiles was used to classify any variations, and specific metabolites were identified based on their spectral pattern. Characteristic metabolite profiles were identified for control and type 1 diabetic animals with the most distinctive being from mice with the largest physical deterioration and loss of body weight. Eight streptozotocin-treated animals did not develop diabetes and displayed profiles similar to controls. Diabetic mice had decreases in creatine, choline and carnitine and increases in lactate, alanine and myo-inositol. Betaine levels were found to be increased in the majority of diabetic mice but decreased in a few animals with severe loss of body weight and physical condition. The association between perturbations in a number of small molecule metabolites known to be influential in sperm function, with diabetic status and physiological condition, adds further impetus to the proposal that diabetes influences important spermatogenic pathways and mechanisms in a subtle and previously unrecognized manner.

Pharmacological interventions for dementia in people with Down Syndrome (Protocol).

Background: People with Down syndrome are vulnerable to developing dementia at an earlier age than the general population. Alzheimer’s disease and cognitive decline in people with Down syndrome can place a significant burden on both the person with Down syndrome and their family and carers. Various pharmacological interventions, including donepezil, galantamine, memantine and rivastigmine, appear to have some effect in treating cognitive decline in people without Down syndrome, but their effectiveness for those with Down syndrome remains unclear. Objectives: To assess the effectiveness of anti-dementia pharmacological interventions and nutritional supplements for treating cognitive decline in people with Down syndrome. Search methods In January 2015, we searched CENTRAL, ALOIS (the Specialised Register of the Cochrane Dementia and Cognitive Improvement Group), Ovid MEDLINE, Embase, PsycINFO, seven other databases, and two trials registers. In addition, we checked the references of relevant reviews and studies and contacted study authors, other researchers and relevant drug manufacturers to identify additional studies. Selection criteria: Randomised controlled trials (RCTs) of anti-dementia pharmacological interventions or nutritional supplements for adults (aged 18 years and older) with Down syndrome, in which treatment was administered and compared with either placebo or no treatment. Data collection and analysis Two review authors independently assessed the risk of bias of included trials and extracted the relevant data. Review authors contacted study authors to obtain missing information where necessaryMain results Only nine studies (427 participants) met the inclusion criteria for this review. Four of these (192 participants) assessed the effectiveness of donepezil, two (139 participants) assessed memantine, one (21 participants) assessed simvastatin, one study (35 participants) assessed antioxidants, and one study (40 participants) assessed acetyl-L-carnitine. Five studies focused on adults aged 45 to 55 years, while the remaining four studies focused on adults aged 20 to 29 years. Seven studies were conducted in either the USA or UK, one between Norway and the UK, and one in Japan. Follow-up periods in studies ranged from four weeks to two years. The reviewers judged all included studies to be at low or unclear risk of bias. Analyses indicate that for participants who received donepezil, scores in measures of cognitive functioning (standardised mean difference (SMD) 0.52, 95% confidence interval (CI) -0.27 to 1.13) and measures of behaviour (SMD 0.42, 95% CI -0.06 to 0.89) were similar to those who received placebo. However, participants who received donepezil were significantly more likely to experience an adverse event (odds ratio (OR) 0.32, 95% CI 0.16 to 0.62). The quality of this body of evidence was low. None of the included donepezil studies reported data for carer stress, institutional/home care, or death. For participants who received memantine, scores in measures of cognitive functioning (SMD 0.05, 95% CI -0.43 to 0.52), behaviour (SMD -0.17, 95% CI -0.46 to 0.11), and occurrence of adverse events (OR 0.45, 95% CI 0.18 to 1.17) were similar to those who received placebo. The quality of this body of evidence was low. None of the included memantine studies reported data for carer stress, institutional/home care, or death. Due to insufficient data, it was possible to provide a narrative account only of the outcomes for simvastatin, antioxidants, and acetylL-carnitine. Results from one pilot study suggest that participants who received simvastatin may have shown a slight improvement in cognitive measures. Authors’ conclusions Due to the low quality of the body of evidence in this review, it is difficult to draw conclusions about the effectiveness of any pharmacological intervention for cognitive decline in people with Down syndrome.

Metabolic signatures of human Alzheimer's disease (AD): H-1 NMR analysis of the polar metabolome of post-mortem brain tissue

Brain tissue from so-called Alzheimer's disease (AD) mouse models has previously been examined using H-1 NMR-metabolomics, but comparable information concerning human AD is negligible. Since no animal model recapitulates all the features of human AD we undertook the first H-1 NMR-metabolomics investigation of human AD brain tissue. Human post-mortem tissue from 15 AD subjects and 15 age-matched controls was prepared for analysis through a series of lyophilised, milling, extraction and randomisation steps and samples were analysed using H-1 NMR. Using partial least squares discriminant analysis, a model was built using data obtained from brain extracts. Analysis of brain extracts led to the elucidation of 24 metabolites. Significant elevations in brain alanine (15.4 %) and taurine (18.9 %) were observed in AD patients (p ≤ 0.05). Pathway topology analysis implicated either dysregulation of taurine and hypotaurine metabolism or alanine, aspartate and glutamate metabolism. Furthermore, screening of metabolites for AD biomarkers demonstrated that individual metabolites weakly discriminated cases of AD [receiver operating characteristic (ROC) AUC <0.67; p < 0.05]. However, paired metabolites ratios (e.g. alanine/carnitine) were more powerful discriminating tools (ROC AUC = 0.76; p < 0.01). This study further demonstrates the potential of metabolomics for elucidating the underlying biochemistry and to help identify AD in patients attending the memory clinic

Reduction of trimethylamine N-oxide to trimethylamine by the human gut microbiota: supporting evidence for ‘metabolic retroversion’

Dietary sources of methylamines such as choline, trimethylamine (TMA), trimethylamine N-oxide (TMAO), phosphatidylcholine (PC) and carnitine are present in a number of foodstuffs, including meat, fish, nuts and eggs. It is recognized that the gut microbiota is able to convert choline to TMA in a fermentation-like process. Similarly, PC and carnitine are converted to TMA by the gut microbiota. It has been suggested that TMAO is subject to ‘metabolic retroversion’ in the gut (i.e. it is reduced to TMA by the gut microbiota, with this TMA being oxidized to produce TMAO in the liver). Sixty-six strains of human faecal and caecal bacteria were screened on solid and liquid media for their ability to utilize trimethylamine N-oxide (TMAO), with metabolites in spent media profiled by Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR) spectroscopy. Enterobacteriaceae produced mostly TMA from TMAO, with caecal/small intestinal isolates of Escherichia coli producing more TMA than their faecal counterparts. Lactic acid bacteria (enterococci, streptococci, bifidobacteria) produced increased amounts of lactate when grown in the presence of TMAO, but did not produce large amounts of TMA from TMAO. The presence of TMAO in media increased the growth rate of Enterobacteriaceae; while it did not affect the growth rate of lactic acid bacteria, TMAO increased the biomass of these bacteria. The positive influence of TMAO on Enterobacteriaceae was confirmed in anaerobic, stirred, pH-controlled batch culture fermentation systems inoculated with human faeces, where this was the only bacterial population whose growth was significantly stimulated by the presence of TMAO in the medium. We hypothesize that dietary TMAO is used as an alternative electron acceptor by the gut microbiota in the small intestine/proximal colon, and contributes to microbial population dynamics upon its utilization and retroversion to TMA, prior to absorption and secondary conversion to TMAO by hepatic flavin-containing monooxygenases. Our findings support the idea that oral TMAO supplementation is a physiologically-stable microbiota-mediated strategy to deliver TMA at the gut barrier.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

The Synthesis of Imidazole Fatty Acid Conjugates as Inhibitors of Apoptosis

Ionizing radiation is known to initiate apoptosis in mammalian cells by causing the transformation of cytochrome c into a peroxidase, which results in the specific peroxidation of the mitochondrial phospholipid cardiolipin. Here we report the design and synthesis of 8 imidazole fatty acid derivatives that bind to the cyt c:CL complex and inhibit the peroxidase activity required for the initiation of apoptosis. We postulate that imidazole acts as a sixth ligand to the haem iron and stops the interaction with H2O2. Two mitochondrially directed analogues (3-hydroxypropyl)triphenylphosphonium esters) of 12-imidazole-stearic acid and 12-imidazole-oleic acid not only were demonstrated to be peroxidase inhibitors in vitro, but were also extraordinarily effective in protecting mice from lethal doses (9 Gy) of ionization radiation. We studied the structure activity relationship to a group of triphenyl phosphonium derivatives containing imidazole at different positions on the fatty acid chain, and observed that the C8-imidazole stearate analogue had marginally better activity than the others. But overall, the structure activity result were remarkable “flat” with all compounds prepared having rather similar inhibitory strength. We also synthesized carnitine mono and di-esters of 12-imidazole fatty acids but full biological data is not yet available for these compounds.

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.

Impact de facteurs sanguins et d'agents thérapeutiques sur la survie de fibroblastes de sujets atteints de la forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC)

La forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC) est une maladie métabolique associée à une déficience en cytochrome oxydase (COX) et caractérisée par des crises d’acidose lactique, menant à une mort prématurée. Les mécanismes qui sous-tendent l’induction des crises restent inconnus et il n’existe aucune thérapie efficace pour les prévenir. Cette étude vise à caractériser l'effet de facteurs métaboliques périphériques potentiellement altérés chez les patients LSFC sur la mort de lignées cellulaires issues de ces patients et de témoins puis, à identifier des agents thérapeutiques pouvant la prévenir. Nous postulons que (i) ces facteurs métaboliques induiront une mort prématurée des cellules de patients et que (ii) les interventions susceptibles de la prévenir pallieront les conséquences de la déficience en COX, soit la diminution des taux d’adénosine triphosphate (ATP) et l’augmentation du stress oxydant, du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et des lipides toxiques. Un criblage de 8 facteurs sanguins et 10 agents thérapeutiques a été réalisé. Les paramètres mesurés incluent la nécrose, l’apoptose, l’ATP et l’activité de la COX. Les fibroblastes LSFC sont plus susceptibles à la mort par nécrose (39±6%) induite par du palmitate plus lactate, un effet associé à des niveaux d’ATP diminués (53±8%). La mort cellulaire est réduite de moitié par l’ajout combiné d’agents ciblant le NADH, l’ATP et les lipides toxiques, alors que l’ajout d’antioxydants l’augmente. Ainsi, un excès de nutriments pourrait induire la mort prématurée des cellules LSFC et, pour atténuer cette mort, il serait important de combiner plusieurs interventions ciblant différents mécanismes.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Étude dans la cellule bêta pancréatique de voies inhibitrices de la sécrétion d'insuline liées au métabolisme des lipides

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique complexe causée par des facteurs génétiques mais aussi environnementaux, tels la sédentarité et le surpoids. La dysfonction de la cellule β pancréatique est maintenant reconnue comme l’élément déterminant dans le développement du DT2. Notre laboratoire s’intéresse à la sécrétion d’insuline par la cellule β en réponse aux nutriments calorigéniques et aux mécanismes qui la contrôle. Alors que la connaissance des mécanismes responsables de l’induction de la sécrétion d’insuline en réponse aux glucose et acides gras est assez avancée, les procédés d’inhibition de la sécrétion dans des contextes normaux ou pathologiques sont moins bien compris. L’objectif de la présente thèse était d’identifier quelques-uns de ces mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique, et ce en situation normale ou pathologique en lien avec le DT2. La première hypothèse testée était que l’enzyme mitochondriale hydroxyacyl-CoA déshydrogénase spécifique pour les molécules à chaîne courte (short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, SCHAD) régule la sécrétion d’insuline induite par le glucose (SIIG) par la modulation des concentrations d’acides gras ou leur dérivés tels les acyl-CoA ou acyl-carnitine dans la cellule β. Pour ce faire, nous avons utilisé la technologie des ARN interférants (ARNi) afin de diminuer l’expression de SCHAD dans la lignée cellulaire β pancréatique INS832/13. Nous avons par la suite vérifié chez la souris DIO (diet-induced obesity) si une exposition prolongée à une diète riche en gras activerait certaines voies métaboliques et signalétiques assurant une régulation négative de la sécrétion d’insuline et contribuerait au développement du DT2. Pour ce faire, nous avons mesuré la SIIG, le métabolisme intracellulaire des lipides, la fonction mitochondriale et l’activation de certaines voies signalétiques dans les îlots de Langerhans isolés des souris normales (ND, normal diet) ou nourries à la dière riche en gras (DIO) Nos résultats suggèrent que l’enzyme SCHAD est importante dans l’atténuation de la sécrétion d’insuline induite par le glucose et les acides aminés. En effet, l’oxydation des acides gras par la protéine SCHAD préviendrait l’accumulation d’acyl-CoA ou de leurs dérivés carnitine à chaîne courtes potentialisatrices de la sécrétion d’insuline. De plus, SCHAD régule le métabolisme du glutamate par l’inhibition allostérique de l’enzyme glutamate déshydrogénase (GDH), prévenant ainsi une hyperinsulinémie causée par une sur-activité de GDH. L’étude de la dysfonction de la cellule β dans le modèle de souris DIO a démontré qu’il existe une grande hétérogénéité dans l’obésité et l’hyperglycémie développées suite à la diète riche en gras. L’orginialité de notre étude réside dans la stratification des souris DIO en deux groupes : les faibles et forts répondants à la diète (low diet responders (LDR) et high diet responder (HDR)) sur la base de leur gain de poids corporel. Nous avons mis en lumières divers mécanismes liés au métabolisme des acides gras impliqués dans la diminution de la SIIG. Une diminution du flux à travers le cycle TG/FFA accompagnée d’une augmentation de l’oxydation des acides gras et d’une accumulation intracellulaire de cholestérol contribuent à la diminution de la SIIG chez les souris DIO-HDR. De plus, l’altération de la signalisation par les voies AMPK (AMP-activated protein kinase) et PKC epsilon (protéine kinase C epsilon) pourrait expliquer certaines de ces modifications du métabolisme des îlots DIO et causer le défaut de sécrétion d’insuline. En résumé, nous avons mis en lumière des mécanismes importants pour la régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique saine ou en situation pathologique. Ces mécanismes pourraient permettre d’une part de limiter l’amplitude ou la durée de la sécrétion d’insuline suite à un repas chez la cellule saine, et d’autre part de préserver la fonction de la cellule β en retardant l’épuisement de celle-ci en situation pathologique. Certaines de ces voies peuvent expliquer l’altération de la sécrétion d’insuline dans le cadre du DT2 lié à l’obésité. À la lumière de nos recherches, le développement de thérapies ayant pour cible les mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline pourrait être bénéfique pour le traitement de patients diabétiques.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.

Conséquences d’une restriction de croissance intra-utérine et du sexe biologique sur le métabolisme des acides gras dans les cardiomyocytes de rats foetaux

Il est désormais accepté qu'un environnement foetal défavorable prédispose à des maladies chroniques qui surviennent à l'âge adulte. Il a été démontré dans notre laboratoire qu'une diminution de perfusion placentaire induit une redistribution du débit sanguin vers le coeur chez le foetus ainsi qu’une restriction de croissance intrautérine. De plus, un remodelage et une diminution de la contractilité des cardiomyocytes ont été observés chez les femelles devenues adultes. En période périnatale, l’utilisation des acides gras comme substrat énergétique devient plus importante que celle du glucose au niveau des cardiomyocytes. Considérant qu'un mécanisme s'est mis en place in utero, nous émettons l’hypothèse que le transfert de la voie de l’utilisation du glucose vers l’utilisation des acides gras se fait plus tôt chez les foetus en restriction de croissance. L’objectif de cette étude est de mesurer, dans les coeurs foetaux, les constituants du métabolisme des acides gras, soit le transporteur principal des acides gras, la carnitine palmitoyltransférase‒1‒alpha, ainsi que ses protéines associées soit l’acyl‒CoenzymeA synthétase‒1 et le canal anionique voltage‒dépendant de type 1. Nous mesurerons l’activité du cytochrome c oxydase et le nombre de mitochondries. L’influence du sexe et la condition foetale (restriction de croissance intrautérine vs contrôle) seront comparés. Nous avons observé que l’expression protéique de la carnitine palmitoytransférase‒1α et de l’acyl‒CoenzymeA synthétase‒1 est significativement augmentée, mais pas celle du canal anionique voltage‒dépendant de type 1, dans les coeurs de foetus en restriction de croissance intrautérine femelles. Le nombre et l’activité des mitochondries est semblable dans tous les groupes. Ces résultats suggèrent que la condition foetale et le sexe altèrent la quantité du transporteur des acides gras, la carnitine palmitoytransférase‒1α, au niveau traductionnel sans toutefois affecter l’activité du cytochrome c oxydase et le nombre de mitochondries. À long terme, nos études permettront de mieux comprendre les conséquences et causes de la RCIU afin d’en permettre la prévention.

Estudi citològic i bioquímic del fluid epididimari de "Sus domesticus"

En aquest estudi s'ha determinat que al augmentar el ritme d'extraccions de semen es produeixen canvis en el patró d'absorció i secreció del fluid epididimari, que provoquen alteracions en la maduració epididimaria dels espermatozoides i un desenvolupament anòmal de la motilitat espermàtica. La concentració de glutamat i carnitina al fluid epididimari augmenten al llarg del conducte epididimari, alhora que la concentració de myo-inositol disminueix. El contingut de myo-inositol a l'interior dels espermatozoides disminueix, mentre que el contingut de glutamat augmenta a partir del caput distal i el contingut de carnitina no varia al llarg del conducte. S'ha determinat la presència de la ruta del poliol a l'epidídim de porcí. Els resultats obtinguts indiquen que la glucosa difon de la sang cap al fluid epididimari, és convertida a sorbitol per l'aldosa reductasa, i aquest sorbitol s'acumula al fluid luminal i és convertit a fructosa per l'acció de la sorbitol deshidrogenasa.