A microarray-based system for the simultaneous analysis of single nucleotide polymorphisms in human genes involved in the metabolism of anti-malarial drugs

Background: In order to provide a cost-effective tool to analyse pharmacogenetic markers in malaria treatment, DNA microarray technology was compared with sequencing of polymerase chain reaction (PCR) fragments to detect single nucleotide polymorphisms (SNPs) in a larger number of samples. Methods: The microarray was developed to affordably generate SNP data of genes encoding the human cytochrome P450 enzyme family (CYP) and N-acetyltransferase-2 (NAT2) involved in antimalarial drug metabolisms and with known polymorphisms, i.e. CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP3A5, and NAT2. Results: For some SNPs, i.e. CYP2A6*2, CYP2B6*5, CYP2C8*3, CYP2C9*3/*5, CYP2C19*3, CYP2D6*4 and NAT2*6/*7/*14, agreement between both techniques ranged from substantial to almost perfect (kappa index between 0.61 and 1.00), whilst for other SNPs a large variability from slight to substantial agreement (kappa index between 0.39 and 1.00) was found, e. g. CYP2D6*17 (2850C>T), CYP3A4*1B and CYP3A5*3. Conclusion: The major limit of the microarray technology for this purpose was lack of robustness and with a large number of missing data or with incorrect specificity.

PVHL is a regulator of glucose metabolism and insulin secretion in pancreatic beta cells.

Insulin secretion from pancreatic beta cells is stimulated by glucose metabolism. However, the relative importance of metabolizing glucose via mitochondrial oxidative phosphorylation versus glycolysis for insulin secretion remains unclear. von Hippel-Lindau (VHL) tumor suppressor protein, pVHL, negatively regulates hypoxia-inducible factor HIF1alpha, a transcription factor implicated in promoting a glycolytic form of metabolism. Here we report a central role for the pVHL-HIF1alpha pathway in the control of beta-cell glucose utilization, insulin secretion, and glucose homeostasis. Conditional inactivation of Vhlh in beta cells promoted a diversion of glucose away from mitochondria into lactate production, causing cells to produce high levels of glycolytically derived ATP and to secrete elevated levels of insulin at low glucose concentrations. Vhlh-deficient mice exhibited diminished glucose-stimulated changes in cytoplasmic Ca(2+) concentration, electrical activity, and insulin secretion, which culminate in impaired systemic glucose tolerance. Importantly, combined deletion of Vhlh and Hif1alpha rescued these phenotypes, implying that they are the result of HIF1alpha activation. Together, these results identify pVHL and HIF1alpha as key regulators of insulin secretion from pancreatic beta cells. They further suggest that changes in the metabolic strategy of glucose metabolism in beta cells have profound effects on whole-body glucose homeostasis.

Anchoring of both PKA and 14-3-3 inhibits the Rho-GEF activity of the AKAP-Lbc signaling complex.

A-kinase anchoring proteins (AKAPs) target the cAMP-regulated protein kinase (PKA) to its physiological substrates. We recently identified a novel anchoring protein, called AKAP-Lbc, which functions as a PKA-targeting protein as well as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for RhoA. We demonstrated that AKAP-Lbc Rho-GEF activity is stimulated by the alpha subunit of the heterotrimeric G protein G12. Here, we identified 14-3-3 as a novel regulatory protein interacting with AKAP-Lbc. Elevation of the cellular concentration of cAMP activates the PKA holoenzyme anchored to AKAP-Lbc, which phosphorylates the anchoring protein on the serine 1565. This phosphorylation event induces the recruitment of 14-3-3, which inhibits the Rho-GEF activity of AKAP-Lbc. AKAP-Lbc mutants that fail to interact with PKA or with 14-3-3 show a higher basal Rho-GEF activity as compared to the wild-type protein. This suggests that, under basal conditions, 14-3-3 maintains AKAP-Lbc in an inactive state. Therefore, while it is known that AKAP-Lbc activity can be stimulated by Galpha12, in this study we demonstrated that it is inhibited by the anchoring of both PKA and 14-3-3.

Altered high-energy phosphate metabolism predicts contractile dysfunction and subsequent ventricular remodeling in pressure-overload hypertrophy mice.

To study the role of early energetic abnormalities in the subsequent development of heart failure, we performed serial in vivo combined magnetic resonance imaging (MRI) and (31)P magnetic resonance spectroscopy (MRS) studies in mice that underwent pressure-overload following transverse aorta constriction (TAC). After 3 wk of TAC, a significant increase in left ventricular (LV) mass (74 +/- 4 vs. 140 +/- 26 mg, control vs. TAC, respectively; P < 0.000005), size [end-diastolic volume (EDV): 48 +/- 3 vs. 61 +/- 8 microl; P < 0.005], and contractile dysfunction [ejection fraction (EF): 62 +/- 4 vs. 38 +/- 10%; P < 0.000005] was observed, as well as depressed cardiac energetics (PCr/ATP: 2.0 +/- 0.1 vs. 1.3 +/- 0.4, P < 0.0005) measured by combined MRI/MRS. After an additional 3 wk, LV mass (140 +/- 26 vs. 167 +/- 36 mg; P < 0.01) and cavity size (EDV: 61 +/- 8 vs. 76 +/- 8 microl; P < 0.001) increased further, but there was no additional decline in PCr/ATP or EF. Cardiac PCr/ATP correlated inversely with end-systolic volume and directly with EF at 6 wk but not at 3 wk, suggesting a role of sustained energetic abnormalities in evolving chamber dysfunction and remodeling. Indeed, reduced cardiac PCr/ATP observed at 3 wk strongly correlated with changes in EDV that developed over the ensuing 3 wk. These data suggest that abnormal energetics due to pressure overload predict subsequent LV remodeling and dysfunction.

Modulation of the epithelial sodium channel by serine proteases

Abstract The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits α, ß, and γ. This channel is involved in the regulation of sodium balance, which influences the periciliary liquid level in the lung, and blood pressure via the kidney. ENaC expressed in Xenopus laevis oocytes is preferentially and rapidly assembled into heteromeric αßγ complexes. Expression of homomeric α or heteromeric αß and αγ complexes lead to channel expression at the cell surface wíth low activities. Recent studies have demonstrated that α and γ (but not ß) ENaC subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous proteases (i.e. furin) correlating with increased channel activity. We therefore assayed the full-length subunits and their cleavage products at the cell surface, as well as in the intracellular pool for all homo- and heteromeric combínations (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ and αßγ) and measured the corresponding channel activities as amiloride-sensitive sodíum transport (INa). We showed that upon assembly, cleavage of the y ENaC subunit ís responsible for increasing INa. We further demonstrated that in disease states such as cystic fibrosis (CF) where there is disequilibrium in the proteaseprotease inhibitor balance, ENaC is over-activated by the serine protease elastase (NE). We demonstrated that elevated NE concentrations can cleave cell surface expressed γ ENaC (but not α, or ß ENaC), suggesting a causal relationship between γ ENaC cleavage and ENaC activation, taking place at the plasma membrane. In addition, we demonstrated that the serine protease inhibitor (serpin) serpinH1, which is co-expressed with ENaC in the distal nephron is capable of inhibiting the channel by preventing cleavage of the γ ENaC subunit. Aldosterone mediated increases in INa aze known to be inhibted by TGFß. TGFß is also known to increase serpinHl expression. The demonstrated inhibition of γ ENaC cleavage and channel activation by serpinH1 may be responsible for the effect of TGFß on aldosterone stimulation in the distal nephron. In summary, we show that cleavage of the γ subunit, but not the α or ß subunit is linked to channel activation in three seperate contexts. Résumé Le canal épithélial à sodium (ENaC) est constitué de trois sous-unités homologues α, ß, and γ. Ce canal est impliqué dans le maintien de la balance sodique qui influence le niveau du liquide périciliaire du poumon et la pression sanguine via le rein. Dans les ovocytes de Xenopus laevis ENaC est préférentiellement et rapidement exprimé en formant un complexe hétéromérique αßγ. En revanche, l'expression homomérique de α ou hétéromérique des complexes αß et αγ conduit à une expression à la surface cellulaire d'un canal ENaC ne possédant qu'une faible activité. Des études récentes ont mis en évidence que les sous-unités α et γ d'ENaC (mais pas ß) sont coupées par des protéases endogènes (les farines) et que ces clivages augmentent l'activité du canal. Nous avons donc analysé, aussi bien à la surface cellulaire que dans le cytoplasme, les produits des clivages de combinaison homo- et hétéromérique des sous-unités d'ENaC (α, ß, γ, ßγ, αß, αγ, ßγ et αßγ). En parallèle, nous avons étudié l'activité correspondante à ces canaux par la mesure du transport de sodium sensible à l'amiloride (INa). Nous avons montré que lors de l'assemblage des sous-unités d'ENaC, le clivage de γ correspond à l'augmentation de INa. Nous avons également mis en évidence que dans une maladie telle que la fibrose cystique (CF) caractérisée par un déséquilibre de la balance protéase-inhibiteur de protéase, ENaC est suractivé par une sérine protéase nommée élastase (NE). L'augmentation de la concentration de NE clive γ ENaC exprimé à la surface cellulaire (mais pas α, ni ß ENaC) suggérant une causalité entre le clivage d'ENaC et son activation à la membrane plasmique. De plus, nous avons démontré que l'inhibiteur de sérine protéase (serpin) serpinH1, qui est co-exprimé avec ENaC dans le néphron distal, inhibe l'activité du canal en empêchant le clivage de la sous-unité γ ENaC. Il est connu que le INa induit par l'aldostérone peut être inhibé par TGFß. Or TGFß augmente l'expression de serpinH1. L'inhibition du clivage de γ ENaC et de l'activation du canal par la serpinH1 que nous avons mis en évidence pourrait ainsi être responsable de l'effet de TGFß sur la stimulation du courant par l'aldostérone dans le néphron distal. En résumé, nous avons montré que le clivage de la sous-unité γ, mais pas des sous-unités α et ß, est lié à l'activation du canal dans trois contextes distincts. Résumé tout public Le corps humain est composé d'environ 10 000 milliards de cellules et d'approximativement 60% d'eau. Les cellules du corps sont les unités fondamentales de la vie et elles sont dépendantes de certains nutriments et molécules. Ces nutriments et molécules sont dissous dans l'eau qui est présente dans et hors des cellules. Le maintien d'une concentration adéquate - de ces nutriments et de ces molécules dans l'eau à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est -..essentiel pour leur survie. L'eau hors des cellules est nommée le fluide extracellulaire et peut être subdivisée en fluide interstitiel, qui se trouve autour des cellules, et en plasma, qui est le fluide des vaisseaux sanguins. Les fluides, les nutriments et les molécules sont constamment échangés entre les cellules, le fluide interstitiel, et le plasma. Le plasma circule dans le système circulatoire afin de distribuer les nutriments et molécules dans tout le corps et afin d'enlever les déchets cellulaires. Le rein joue un rôle essentiel dans la régulation du volume et de la concentration du plasma en éliminant sélectivement les nutriments et les molécules via la formation de l'urine. L'être humain possède deux reins, constitués chacun d'environ 1 million de néphrons. Ces derniers sont responsables de réabsorber et de sécréter sélectivement les nutriments et les molécules. Le canal épithélial à sodium (ENaC) est localisé à la surface cellulaire des néphrons et est responsable de la réabsorption du sodium (Na+). Le Na+ est présent dans quasiment toute la nourriture que nous mangeons et représente, en terme de molécule, 50% du sel de cuisine. Si trop de sodium est consommé, ENaC est inactif, si bien que le Na+ n'est pas réabsorbé et quitte le corps par l'urine. Ce mécanisme permet d'éviter que la concentration plasmatique de Na+ ne devienne trop grande, ce qui résulterait en une augmentation de la pression sanguine. Si trop peu de Na+ est consommé, ENaC réabsorbe le Na+ de l'urine primaire ce qui permet de conserver la concentration de Na+ et de prévenir une diminution de la pression sanguine par une perte de Na+. ENaC est aussi présent dans les cellules des poumons qui sont les organes permettant la respiration. La respiration est aussi essentielle pour la survie des cellules. Les poumons ne doivent pas contenir trop de liquide afin de permettre la respiration, mais en même temps ils ne doivent pas non plus être trop secs. En effet, ceci tuerait les cellules et empêcherait aussi la respiration. ENaC permet de maintenir un niveau d'humidité approprié dans les poumons en absorbant du Na+ ce qui entraîne un mouvement osmotique d'eau. L'absorption de sodium par ENaC ~ est augmentée par les protéases (in vitro et ex vivo). Les protéases sont des molécules qui peuvent couper d'autres molécules à des endroits précis. Nous avons démonté que certaines protéases augmentent l'absorption de Na+ en coupant ENaC à des endroits spécifiques. L'inhibition de ces protéases diminue le transport de Na+ et empêche le clivage d'ENaC. Dans certaines maladies telle que la mucoviscidose, des protéases sont suractivées et augmentent l'activité d'ENaC de manière inappropriée conduisant à une trop forte absorption de Na+ et à un déséquilibre de la muqueuse des poumons. Cette étude est donc particulièrement importante dans le cadre de la recherche thérapeutique de ce genre de maladie.

Circadian clock orchestration of signaling pathways influences mouse metabolism

Circadian clocks, present in organisms leaving in a rhythmic environment, constitute the mechanisms allowing anticipation and adaptation of behavior and physiology in response to these environmental variations. As a consequence, most aspects of metabolism and behavior are under the control of this circadian clock. At a molecular level, in all the studied species, the rhythmic expression of the genes involved are generated by interconnected transcriptional and translational feedback loops. In mammals, the heterodimer composed of BMAL1 and its partners CLOCK or NPAS2 constitutes a transcriptional activator regulating transcription of Per and Cry genes. These genes encode for repressors of the activity of BMAL1:CLOCK or BMAL1: NPAS2 heterodimers, thus closing a negative feedback loop that generates rhythms of approximately 24 hours. The aim of my doctoral work consisted in the investigation of the role of circadian clock in the regulation of different aspects of mouse metabolism through the rhythmic activation of signaling pathways. First, we showed that one way how the circadian clock exerts its function as an oscillator is through the regulation of mRNA translation. Indeed, we present evidence showing that circadian clock influences the temporal translation of a subset of mRNAs involved in ribosome biogenesis by controlling the transcription of translation initiation factors as well as the clock-dependent rhythmic activation of signaling pathways involved in their regulation. Moreover, the circadian oscillator regulates the transcription of ribosomal protein mRNAs and ribosomal RNAs. Thus the circadian clock exerts a major role in coordinating transcription and translation steps underlying ribosome biogenesis. In the second part, we showed the involvement of the circadian clock in lipid metabolism. Indeed, the three PAR bZip transcription factors DBP, TEF and HLF, are regulated by the molecular clock and play key roles in the control of lipid metabolism. Here we present evidence concerning the circadian expression and activity of PPARα via the circadian transcription of genes involved in the release of fatty acids, natural ligands of PPARα. It leads to the rhythmic activation of PPARα itself which could then play its role in the transcription of genes encoding proteins involved in lipid, cholesterol and glucose metabolism. In addition, we considered the possible role of lipid transporters, here SCP2, in the modulation of circadian activation of signaling pathways such as TORC1, PPARα and SREBP, linked to metabolism, and its feedback on the circadian clock. In the last part of this work, we studied the effects of these circadian clock-orchestrated pathways in physiology, as clock disruptions have been shown to be linked to metabolic disorders. We performed in vivo experiments on genetically and high-fat induced obese mice devoid of functional circadian clock. The results obtained showed that clock disruption leads to impaired triglycerides and glucose homeostasis in addition to insulin secretion and sensitivity. -- Les rythmes circadiens, présents chez tout organisme vivant dans un environnement rythmique, constituent l'ensemble de mécanismes permettant des réponses comportementales et physiologiques anticipées et adaptées aux variations environnementales. De ce fait, la plupart des aspects liés au métabolisme et au comportement de ces organismes apparaissent être sous le contrôle de l'horloge circadienne contrôlant ces rythmes. Au niveau moléculaire, dans toutes les espèces étudiées, l'expression rythmique de gènes impliqués sont générés par l'interconnexion de boucles de contrôle transcriptionnelles et traductionnelles. Chez les mammifères, l'hétérodimère composé de BMAL1 et de ses partenaires CLOCK ou NPAS2 constitue un activateur transcriptionnel régulant la transcription des gènes Per et Cry. Ces gènes codent pour des répresseurs de l'activité des hétérodimères BMAL1:CLOCK ou BMAL1:NPAS2. Cela a pour effet de fermer la boucle négative, générant ainsi des rythmes d'environ 24 heures. Le but de mon travail de thèse a consisté en l'investigation du rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de certains aspects du métabolisme chez la souris via la régulation de l'activation rythmique des voies de signalisation. Nous avons tout d'abord montré que l'horloge circadienne exerce sa fonction d'oscillateur notamment au niveau de la régulation de la traduction des ARNm. En effet, nous présentons des preuves montrant que l'horloge circadienne influence la traduction temporelle d'un groupe d'ARNm impliqués dans la biogénèse des ribosomes en contrôlant la transcription de facteurs d'initiation de la traduction ainsi que l'activation rythmique des voies de signalisation qui sont impliquées dans leur régulation. De plus, l'oscillateur circadien régule la transcription d'ARNm codant pour les protéines ribosomales et d'ARN ribosomaux. De cette façon, l'horloge circadienne exerce un rôle majeur dans la coordination des étapes de transcription et traduction permettant la biogénèse des ribosomes. Dans la deuxième partie, nous montrons les implications de l'horloge circadienne dans le métabolisme des lipides. En effet, DBP, TEF et HLF, trois facteurs de transcription de la famille des PAR bZip qui sont régulés par l'horloge circadienne, jouent un rôle clé dans le contrôle du métabolisme des lipides par l'horloge circadienne. Nous apportons ici des preuves concernant l'expression et l'activité rythmiques de PPARα via la transcription circadienne de gènes impliqués dans le relargage d'acides gras, ligands naturels de PPARα, conduisant à l'activation circadienne de PPARα lui-même, pouvant ainsi jouer son rôle de facteur de transcription de gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme des lipides, du cholestérol et du glucose. De plus, nous nous sommes penchés sur le rôle possible de transporteurs de lipides, ici SCP2, dans la modulation de l'activation circadienne de voies de signalisation, telles que TORC1, PPARα et SREBP, qui sont liées au métabolisme, ainsi que son impact sur l'horloge elle-même. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié les effets de l'activation de ces voies de signalisation régulées par l'horloge circadienne dans le contexte physiologique puisqu'il a été montré que la perturbation de l'horloge pouvait être associée à des désordres métaboliques. Pour ce faire, nous avons fait des expériences in vivo sur des souris déficientes pour l'horloge moléculaire pour lesquelles l'obésité est induite génétiquement ou induite par la nourriture riche en lipides. Les résultats que nous obtenons montrent des dérèglements au niveau de l'homéostasie des triglycérides et du glucose ainsi que sur l'expression et la réponse à l'insuline.

Brain energy metabolism measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy in vivo upon infusion of [3-(13) C]lactate.

The brain uses lactate produced by glycolysis as an energy source. How lactate originated from the blood stream is used to fuel brain metabolism is not clear. The current study measures brain metabolic fluxes and estimates the amount of pyruvate that becomes labeled in glial and neuronal compartments upon infusion of [3-(13) C]lactate. For that, labeling incorporation into carbons of glutamate and glutamine was measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy at 14.1 T and analyzed with a two-compartment model of brain metabolism to estimate rates of mitochondrial oxidation, glial pyruvate carboxylation, and the glutamate-glutamine cycle as well as pyruvate fractional enrichments. Extracerebral lactate at supraphysiological levels contributes at least two-fold more to replenish the neuronal than the glial pyruvate pools. The rates of mitochondrial oxidation in neurons and glia, pyruvate carboxylase, and glutamate-glutamine cycles were similar to those estimated by administration of (13) C-enriched glucose, the main fuel of brain energy metabolism. These results are in agreement with primary utilization of exogenous lactate in neurons rather than astrocytes. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

A Cellular Perspective on Brain Energy Metabolism and Functional Imaging.

The energy demands of the brain are high: they account for at least 20% of the body's energy consumption. Evolutionary studies indicate that the emergence of higher cognitive functions in humans is associated with an increased glucose utilization and expression of energy metabolism genes. Functional brain imaging techniques such as fMRI and PET, which are widely used in human neuroscience studies, detect signals that monitor energy delivery and use in register with neuronal activity. Recent technological advances in metabolic studies with cellular resolution have afforded decisive insights into the understanding of the cellular and molecular bases of the coupling between neuronal activity and energy metabolism and point at a key role of neuron-astrocyte metabolic interactions. This article reviews some of the most salient features emerging from recent studies and aims at providing an integration of brain energy metabolism across resolution scales.

Predicting drug metabolism: experiment and/or computation?

Drug metabolism can produce metabolites with physicochemical and pharmacological properties that differ substantially from those of the parent drug, and consequently has important implications for both drug safety and efficacy. To reduce the risk of costly clinical-stage attrition due to the metabolic characteristics of drug candidates, there is a need for efficient and reliable ways to predict drug metabolism in vitro, in silico and in vivo. In this Perspective, we provide an overview of the state of the art of experimental and computational approaches for investigating drug metabolism. We highlight the scope and limitations of these methods, and indicate strategies to harvest the synergies that result from combining measurement and prediction of drug metabolism.