Context-dependent dual role of SKI8 homologs in mRNA synthesis and turnover.

Eukaryotic mRNA transcription and turnover is controlled by an enzymatic machinery that includes RNA polymerase II and the 3' to 5' exosome. The activity of these protein complexes is modulated by additional factors, such as the nuclear RNA polymerase II-associated factor 1 (Paf1c) and the cytoplasmic Superkiller (SKI) complex, respectively. Their components are conserved across uni- as well as multi-cellular organisms, including yeast, Arabidopsis, and humans. Among them, SKI8 displays multiple facets on top of its cytoplasmic role in the SKI complex. For instance, nuclear yeast ScSKI8 has an additional function in meiotic recombination, whereas nuclear human hSKI8 (unlike ScSKI8) associates with Paf1c. The Arabidopsis SKI8 homolog VERNALIZATION INDEPENDENT 3 (VIP3) has been found in Paf1c as well; however, whether it also has a role in the SKI complex remains obscure so far. We found that transgenic VIP3-GFP, which complements a novel vip3 mutant allele, localizes to both nucleus and cytoplasm. Consistently, biochemical analyses suggest that VIP3-GFP associates with the SKI complex. A role of VIP3 in the turnover of nuclear encoded mRNAs is supported by random-primed RNA sequencing of wild-type and vip3 seedlings, which indicates mRNA stabilization in vip3. Another SKI subunit homolog mutant, ski2, displays a dwarf phenotype similar to vip3. However, unlike vip3, it displays neither early flowering nor flower development phenotypes, suggesting that the latter reflect VIP3's role in Paf1c. Surprisingly then, transgenic ScSKI8 rescued all aspects of the vip3 phenotype, suggesting that the dual role of SKI8 depends on species-specific cellular context.

Structure of the glycosyl-phosphatidylinositol membrane anchor of the Leishmania major promastigote surface protease.

In common with many other plasma membrane glycoproteins of eukaryotic origin, the promastigote surface protease (PSP) of the protozoan parasite Leishmania contains a glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) membrane anchor. The GPI anchor of Leishmania major PSP was purified following proteolysis of the PSP and analyzed by two-dimensional 1H-1H NMR, compositional and methylation linkage analyses, chemical and enzymatic modifications, and amino acid sequencing. From these results, the structure of the GPI-containing peptide was found to be Asp-Gly-Gly-Asn-ethanolamine-PO4-6Man alpha 1-6Man alpha 1-4GlcN alpha 1-6myo-inositol-1-PO4-(1-alkyl-2-acyl-glycerol). The glycan structure is identical to the conserved glycan core regions of the GPI anchor of Trypanosoma brucei variant surface glycoprotein and rat brain Thy-1 antigen, supporting the notion that this portion of GPIs are highly conserved. The phosphatidylinositol moiety of the PSP anchor is unusual, containing a fully saturated, unbranched 1-O-alkyl chain (mainly C24:0) and a mixture of fully saturated unbranched 2-O-acyl chains (C12:0, C14:0, C16:0, and C18:0). This lipid composition differs significantly from those of the GPIs of T. brucei variant surface glycoprotein and mammalian erythrocyte acetylcholinesterase but is similar to that of a family of glycosylated phosphoinositides found uniquely in Leishmania.

C4 Photosynthesis evolved in grasses via parallel adaptive genetic changes.

Phenotypic convergence is a widespread and well-recognized evolutionary phenomenon. However, the responsible molecular mechanisms remain often unknown mainly because the genes involved are not identified. A well-known example of physiological convergence is the C4 photosynthetic pathway, which evolved independently more than 45 times [1]. Here, we address the question of the molecular bases of the C4 convergent phenotypes in grasses (Poaceae) by reconstructing the evolutionary history of genes encoding a C4 key enzyme, the phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC). PEPC genes belong to a multigene family encoding distinct isoforms of which only one is involved in C4 photosynthesis [2]. By using phylogenetic analyses, we showed that grass C4 PEPCs appeared at least eight times independently from the same non-C4 PEPC. Twenty-one amino acids evolved under positive selection and converged to similar or identical amino acids in most of the grass C4 PEPC lineages. This is the first record of such a high level of molecular convergent evolution, illustrating the repeatability of evolution. These amino acids were responsible for a strong phylogenetic bias grouping all C4 PEPCs together. The C4-specific amino acids detected must be essential for C4 PEPC enzymatic characteristics, and their identification opens new avenues for the engineering of the C4 pathway in crops.

Changes in activity of the regulatory glycolytic enzymes and of the pyruvate-dehydrogenase complex during the development of Xenopus laevis.

In this study we investigated the variations of the maximal activities of the rate-controlling glycolytic enzymes (i.e., hexokinase, HK; phosphofructokinase, PFK; pyruvate kinase, PK) and of the pyruvate-dehydrogenase complex (PDHc) during the early embryogenesis of Xenopus laevis (from cleavage through hatching). All the enzymatic assays, using different coupled reactions, were performed spectrophotometrically on cytosolic and mitochondrial fractions. The maximal HK activity increases markedly from neurulation onwards, PFK activity presents a peak around gastrulation, PK activity remains relatively constant throughout the period studied and the highest PDHc activity is observed during cleavage. The specific activities display the same temporal pattern. Furthermore, in the sequence of reactions by which glucose is degraded to form acetyl-CoA, the maximal activities of PFK and PK are not limiting while those of HK and PDHc could be rate-limiting at relatively late developmental stages (hatching).

Characterization of membrane vesicles circulating in the serum of patients with common acute lymphoblastic leukemia.

Common acute lymphoblastic leukemia antigen detected by radioimmunoassay in the serum of patients with common acute lymphoblastic leukemia was found to be exclusively associated with the pellet of the serum samples obtained by ultracentrifugation at 100,000 X g. The pellets were shown to contain membrane vesicles or fragments which were characterized by electron microscopy and determination of enzymatic activity. The pelleted fragments had an apparent diameter ranging between 60 and 260 nm and showed a trilaminar membrane structure. On freeze-fracture preparations, the fragments with concave profile, corresponding to the external fracture face of plasma membrane, displayed an intramembrane particle density (ranging from 0 to 750 particles per micron2) which is similar to that recorded on the corresponding fracture face of intact cells from the common lymphoblastic leukemia antigen positive leukemic cell line (Nalm-1) or of vesicles shed in the culture medium by Nalm-1 cells. Furthermore, analysis of the membrane enzyme marker 5'-nucleotidase in the pellet of patient's sera, showed that the presence of this enzyme correlated with that of common lymphoblastic leukemia antigen, but the quantitative relationship between the two surface constituents was not linear. The results suggest that the two markers are located on the same membrane fragments, but that their individual distribution on the shed fragments is heterogeneous.

Triodothyronine enhancement of neuronal differentiation in aggregating fetal rat brain cells cultured in a chemically defined medium.

Triiodothyronine (30 nM) added to serum-free cultures of mechanically dissociated re-aggregating fetal (15-16 days gestation) rat brain cells greatly increased the enzymatic activity of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase throughout the entire culture period (33 days), and markedly accelerated the developmental rise of glutamic acid decarboxylase specific activity. The enhancement of choline acetyltransferase and acetylcholinesterase specific activities in the presence of triiodothyronine was even more pronouned in cultures of telencephalic cells. If triiodothyronine treatment was restricted to the first 17 culture days, the level of choline acetyltransferase specific activity at day 33 was 84% of that in chronically treated cultures and 270% of that in cultures receiving triiodothyronine between days 17 and 33, indicating that relatively undifferentiated cells were more responsive to the hormone. Triiodothyronine had no apparent effect on the incorporation of [3H]thymidine at day 5 or on the total DNA content of cultures, suggesting that cellular differentiation, rather than proliferation was affected by the hormone. Our findings in vitro are in good agreement with many observations in vivo, suggesting that rotation-mediated aggregating cell cultures of fetal rat brain provide a useful model to study thyroid hormone action in the developing brain.

The direct effects of tacrolimus and cyclosporin A on isolated human islets: A functional, survival and gene expression study.

The use of immunosuppressive drugs in transplanted patients is associated with the development of diabetes, possibly due to β-cell toxicity. To better understand the mechanisms leading to post-transplant diabetes, we investigated the actions of prolonged exposure of isolated human islets to therapeutical levels of tacrolimus (Tac) or cyclosporin A (CsA). Islets were isolated from the pancreas of multiorgan donors by enzymatic digestion and density gradient centrifugation. Functional, survival and molecular studies were then performed after 4 days of incubation with therapeutical concentrations of Tac or  CsA. Glucose-induced insulin secretion was significantly decreased in Tac, but not in CsA exposed islets, which was associated with a reduction of the amount of insulin granules as shown by electron microscopy. The percentage of apoptotic β-cells was higher in Tac than CsA exposed islets. Microarray experiments followed by Gene Set Enrichment Analysis revealed that gene expression was more markedly affected upon Tac treatment. In conclusion, Tac and CsA affect features of beta-cell differently, with several changes occurring at the molecular level.

Clostridium difficile toxin-induced inflammation and intestinal injury are mediated by the inflammasome.

BACKGROUND & AIMS: Clostridium difficile-associated disease (CDAD) is the leading cause of nosocomial diarrhea in the United States. C difficile toxins TcdA and TcdB breach the intestinal barrier and trigger mucosal inflammation and intestinal damage. The inflammasome is an intracellular danger sensor of the innate immune system. In the present study, we hypothesize that TcdA and TcdB trigger inflammasome-dependent interleukin (IL)-1beta production, which contributes to the pathogenesis of CDAD. METHODS: Macrophages exposed to TcdA and TcdB were assessed for IL-1beta production, an indication of inflammasome activation. Macrophages deficient in components of the inflammasome were also assessed. Truncated/mutated forms of TcdB were assessed for their ability to activate the inflammasome. The role of inflammasome signaling in vivo was assessed in ASC-deficient and IL-1 receptor antagonist-treated mice. RESULTS: TcdA and TcdB triggered inflammasome activation and IL-1beta secretion in macrophages and human mucosal biopsy specimens. Deletion of Nlrp3 decreased, whereas deletion of ASC completely abolished, toxin-induced IL-1beta release. TcdB-induced IL-1beta release required recognition of the full-length toxin but not its enzymatic function. In vivo, deletion of ASC significantly reduced toxin-induced inflammation and damage, an effect that was mimicked by pretreatment with the IL-1 receptor antagonist anakinra. CONCLUSIONS: TcdA and TcdB trigger IL-1beta release by activating an ASC-containing inflammasome, a response that contributes to toxin-induced inflammation and damage in vivo. Pretreating mice with the IL-1 receptor antagonist anakinra afforded the same level of protection that was observed in ASC-/- mice. These data suggest that targeting inflammasome or IL-1beta signaling may represent new therapeutic targets in the treatment of CDAD.

Etude de la toxicité hépatique de la cocaïne associée à de l'alcool: Effets de l'éthanol sur le métabolisme de la cocaïne dan les hépatocytes de rat en suspension et dans un modèle enzymatique humain

Le but essentiel de notre travail a été d?étudier la capacité du foie, premier organe de métabolisation des xénobiotiques, à dégrader la cocaïne en présence d?éthanol, à l?aide de deux modèles expérimentaux, à savoir un modèle cellulaire (les hépatocytes de rat en suspension) et un modèle acellulaire (modèle reconstitué in vitro à partir d?enzymes purifiées de foie humain). La première partie a pour objectifs de rechercher les voies de métabolisation de la cocaïne qui sont inhibées et / ou stimulées en présence d?éthanol, sur hépatocytes isolés de rat. Dans ce but, une méthode originale permettant de séparer et de quantifier simultanément la cocaïne, le cocaéthylène et huit de leurs métabolites respectifs a été développée par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse (CPG / SM). Nos résultats préliminaires indiquent que l?éthanol aux trois concentrations testées (20, 40 et 80 mM) n?a aucun effet sur la cinétique de métabolisation de la cocaïne. Notre étude confirme que l?addition d?éthanol à des cellules hépatiques de rat en suspension supplémentées en cocaïne résulte en la formation précoce de benzoylecgonine et de cocaéthylène. L?apparition retardée d?ecgonine méthyl ester démontre l?activation d?une deuxième voie de détoxification. La production tardive d?ecgonine indique une dégradation de la benzoylecgonine et de l?ecgonine méthyl ester. De plus, la voie d?oxydation intervenant dans l?induction du stress oxydant en produisant de la norcocaïne est tardivement stimulée. Enfin, notre étude montre une métabolisation complète de la concentration initiale en éthanol par les hépatocytes de rat en suspension. La deuxième partie a pour but de déterminer s?il existe d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 humaines ayant une capacité à métaboliser la cocaïne seule ou associée à de l?éthanol. Pour ce faire, une méthode de micropurification par chromatographie liquide (Smart System®) a été mise au point. Dans le cadre de nos dosages in situ de la cocaïne, du cocaéthylène, de la benzoylecgonine, de l?acide benzoïque et de la lidocaïne, une technique par Chromatographie Liquide Haute Performance couplée à une Détection par Barrette de Diode (CLHP / DBD) et une méthode de dosage de l?éthanol par Chromatographie Phase Gazeuse couplée à une Détection par Ionisation de Flamme équipée d?un injecteur à espace de tête (espace de tête CPG / DIF) ont été développées. La procédure de purification nous a permis de suspecter la présence d?autres enzymes que les carboxylesterases formes 1 et 2 de foie humain impliquées dans le métabolisme de la cocaïne et déjà isolées. A partir d?un modèle enzymatique reconstitué in vitro, nos résultats préliminaires indiquent que d?autres esterases que les formes 1 et 2 de foie humain sont impliquées dans l?élimination de la cocaïne, produisant benzoylecgonine et ecgonine méthyl ester. De plus, nous avons montré que les sensibilités de ces enzymes à l?éthanol sont variables.<br/><br/>The main purpose of our work was to study the ability of the liver, as the first organ to metabolise xenobiotic substances, to degrade cocaine in the presence of ethanol. In order to do this, we used two experimental models, namely a cellular model (rat liver cells in suspension) and an a-cellular model (model reconstructed in vitro from purified human liver enzymes). The purpose of the first part of our study was to look for cocaine metabolising processes which were inhibited and / or stimulated by the presence of ethanol, in isolated rat liver cells. With this aim in mind, an original method for simultaneously separating and quantifying cocaine, cocaethylene and eight of their respective metabolites was developed by Vapour Phase Chromatography coupled with Mass Spectrometry (VPC / MS). Our preliminary results point out that ethanol at three tested concentrations (20, 40 et 80 mM) have no effect on the kinetic of metabolisation of cocaine. Our study confirms that the addition of alcohol to rat liver cells in suspension, supplemented with cocaine, results in the premature formation of ecgonine benzoyl ester and cocaethylene. The delayed appearance of ecgonine methyl ester shows that a second detoxification process is activated. The delayed production of ecgonine indicates a degradation of the ecgonine benzoyl ester and the ecgonine methyl ester. Moreover, the oxidising process which occurs during the induction of the oxidising stress, producing norcocaine, is stimulated at a late stage. Finally, our study shows the complete metabolisation of the initial alcohol concentration by the rat liver cells in suspension. The second part consisted in determining if enzymes other than human carboxylesterases 1 and 2, able to metabolise cocaine on its own or with alcohol, existed. To do this, a micropurification method us ing liquid phase chromatography (Smart System®) was developed. A technique based on High Performance Liquid Chromatography coupled with a Diode Array Detection (HPLC / DAD) in the in situ proportioning of cocaine, cocaethylene, ecgonine benzoyl ester, benzoic acid and lidocaine, and a method for proportioning alcohol by quantifying the head space using Vapour Phase Chromatography coupled with a Flame Ionisation Detection (head space VPC / FID) were used. The purification procedure pointed to the presence of enzymes other than the human liver carboxylesterases, forms 1 and 2, involved in the metabolism of cocaine and already isolated. The preliminary results drawn from an enzymatic model reconstructed in vitro indicate that human liver carboxylesterases, other than forms 1 and 2, are involved in the elimination of cocaine, producing ecgonine benzoyl ester and ecgonine methyl ester. Moreover, we have shown that the sensitivity of these enzymes to alcohol is variable.

Imatinib plasma concentrations variability in hemato-oncologic patients

Abstract Imatinib (Glivec~ has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukaemia (CML) and of gastrointestinal stromal tumor (GIST). However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconvenience and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control occurs. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. Among those known systems is a cytochrome P450 (CYI'3A4) that metabolizes imatinib, the multidrug transporter P-glycoprotein (P-gp; product of the MDR1 gene) that expels imatinib out of cells, and al-acid glycoprotein (AGP), a circulating protein binding imatinib in the plasma. The aim of this observational study was to explore the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics (PK), to assess the interindividual variability of the PK parameters of the drug, and to evaluate whether imatinib use would benefit from a therapeutic drug monitoring (TDM) program. A total of 321 plasma concentrations were measured in 59 patients receiving imatinib, using a validated chromatographic method developed for this study (HPLC-LTV). The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A one-compartment pharmacokinetic model with first-order absorption appropriately described the data, and a large interindividual variability was observed. The MDK> polymorphism 3435C>T and the CYP3A4 activity appeared to modulate the disposition of imatinib, albeit not significantly. A hyperbolic relationship between plasma AGP levels and oral clearance, as well as volume of distribution, was observed. A mechanistic approach was built up, postulating that only the unbound imatinib concentration was able to undergo first-order elimination. This approach allowed determining an average free clearance (CL,~ of 13101/h and a volume of distribution (Vd) of 301 1. By comparison, the total clearance determined was 141/h (i.e. 233 ml/min). Free clearance was affected by body weight and pathology diagnosis. The estimated variability of imatinib disposition (17% for CLu and 66% for Vd) decreased globally about one half with the model incorporating the AGP impact. Moreover, some associations were observed between PK parameters of the free imatinib concentration and its efficacy and toxicity. Finally, the functional influence of P-gp activity has been demonstrated in vitro in cell cultures. These elements are arguments to further investigate the possible usefulness of a TDM program for imatinib. It may help in individualizing the dosing regimen before overt disease progression or development of treatment toxicity, thus improving both the long-term therapeutic effectiveness and tolerability of this drug. Résumé L'imatinib (Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de la leucémie myéloïde chronique (LMC) et des tumeurs stromales d'origine digestive (GIST). Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. Par ailleurs, une résistance, ou des échappements au traitement, sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans l'organisme dépend de systèmes enzymatiques et de transport connus pour présenter de grandes différences interindividuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, on note un cytochrome P450 (le CYP3A4) métabolisant l'imatinib, la P-glycoprotéine (P-gp ;codée par le gène MDR1), un transporteur d'efflux expulsant le médicament hors des cellules, et l'atglycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante sur laquelle se fixe l'imatinib dans le plasma. L'objectif de la présente étude clinique a été de déterminer l'influence de ces covariats sur la pharmacocinétique (PK) de l'imatinib, d'établir la variabilité interindividuelle des paramètres PK du médicament, et d'évaluer dans quelle mesure l'imatinib pouvait bénéficier d'un programme de suivi thérapeutique (TDM). En utilisant une méthode chromatographique développée et validée à cet effet (HPLC-UV), un total de 321 concentrations plasmatiques a été dosé chez 59 patients recevant de l'imatinib. Les résultats ont été analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle pharmacocinétique à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données, et une grande variabilité interindividuelle a été observée. Le polymorphisme du gène MDK1 3435C>T et l'activité du CYP3A4 ont montré une influence, toutefois non significative, sur le devenir de l'imatinib. Une relation hyperbolique entre les taux plasmatiques d'AAG et la clairance, comme le volume de distribution, a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre. Cette approche a permis de déterminer une clairance libre moyenne (CLlibre) de 13101/h et un volume de distribution (Vd) de 301 l. Par comparaison, la clairance totale était de 141/h (c.à.d. 233 ml/min). La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. La variabilité interindividuelle estimée pour le devenir de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. De plus, une certaine association entre les paramètres PK de la concentration d'imatinib libre et l'efficacité et la toxicité a été observée. Finalement, l'influence fonctionnelle de l'activité de la P-gp a été démontrée in nitro dans des cultures cellulaires. Ces divers éléments constituent des arguments pour étudier davantage l'utilité potentielle d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Un tel suivi pourrait aider à l'individualisation des régimes posologiques avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant tant l'efficacité que la tolérabilité de ce médicament. Résumé large public L'imatinib (un médicament commercialisé sous le nom de Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de deux types de cancers, l'un d'origine sanguine (leucémie) et l'autre d'origine digestive. Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. De plus, des résistances ou des échappements au traitement sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline appelée pharmacocinétique) dépend de systèmes connus pour présenter de grandes différences entre les individus, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, l'un est responsable de la dégradation du médicament dans le foie (métabolisme), l'autre de l'expulsion du médicament hors des cellules cibles, alors que le dernier consiste en une protéine (dénommée AAG) qui transporte l'imatinib dans le sang. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'influence de ces différents systèmes sur le comportement pharmacocinétique de l'imatinib chez les patients, et d'étudier dans quelle mesure le devenir de ce médicament dans l'organisme variait d'un patient à l'autre. Enfin, cette étude avait pour but d'évaluer à quel point la surveillance des concentrations d'imatinib présentes dans le sang pourrait améliorer le traitement des patients cancéreux. Une telle surveillance permet en fait de connaître l'exposition effective de l'organisme au médicament (concept abrégé par le terme anglais TDM, pour Therapeutic Drag Monitoring. Ce projet de recherche a d'abord nécessité la mise au point d'une méthode d'analyse pour la mesure des quantités (ou concentrations) d'imatinib présentes dans le sang. Cela nous a permis d'effectuer régulièrement des mesures chez 59 patients. Il nous a ainsi été possible de décrire le devenir du médicament dans le corps à l'aide de modèles mathématiques. Nous avons notamment pu déterminer chez ces patients la vitesse à laquelle l'imatinib est éliminé du sang et l'étendue de sa distribution dans l'organisme. Nous avons également observé chez les patients que les concentrations sanguines d'imatinib étaient très variables d'un individu à l'autre pour une même dose de médicament ingérée. Nous avons pu aussi mettre en évidence que les concentrations de la protéine AAG, sur laquelle l'imatinib se lie dans le sang, avait une grande influence sur la vitesse à laquelle le médicament est éliminé de l'organisme. Ensuite, en tenant compte des concentrations sanguines d'imatinib et de cette protéine, nous avons également pu calculer les quantités de médicament non liées à cette protéine (= libres), qui sont seules susceptibles d'avoir une activité anticancéreuse. Enfin, il a été possible d'établir qu'il existait une certaine relation entre ces concentrations, l'effet thérapeutique et la toxicité du traitement. Tous ces éléments constituent des arguments pour approfondir encore l'étude de l'utilité d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Comme chaque patient est différent, un tel suivi pourrait aider à l'ajustement des doses du médicament avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant ainsi tant son efficacité que son innocuité.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Distinct OGT-Binding Sites Promote HCF-1 Cleavage.

Human HCF-1 (also referred to as HCFC-1) is a transcriptional co-regulator that undergoes a complex maturation process involving extensive O-GlcNAcylation and site-specific proteolysis. HCF-1 proteolysis results in two active, noncovalently associated HCF-1N and HCF-1C subunits that regulate distinct phases of the cell-division cycle. HCF-1 O-GlcNAcylation and site-specific proteolysis are both catalyzed by O-GlcNAc transferase (OGT), which thus displays an unusual dual enzymatic activity. OGT cleaves HCF-1 at six highly conserved 26 amino acid repeat sequences called HCF-1PRO repeats. Here we characterize the substrate requirements for OGT cleavage of HCF-1. We show that the HCF-1PRO-repeat cleavage signal possesses particular OGT-binding properties. The glutamate residue at the cleavage site that is intimately involved in the cleavage reaction specifically inhibits association with OGT and its bound cofactor UDP-GlcNAc. Further, we identify a novel OGT-binding sequence nearby the first HCF-1PRO-repeat cleavage signal that enhances cleavage. These results demonstrate that distinct OGT-binding sites in HCF-1 promote proteolysis, and provide novel insights into the mechanism of this unusual protease activity.

Mechanisms of OGT-mediated HCF-1 protein maturation

Post-translational protein modifications are crucial for many fundamental cellular and extracellular processes and greatly contribute to the complexity of organisms. Human HCF-1 is a transcriptional co-regulator that undergoes complex protein maturation involving reversible and irreversible post-translational modifications. Upon synthesis as a large precursor protein, HCF-1 undergoes extensive reversible glycosylation with β-N-acetylglucosamine giving rise to O-linked-β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) modified serines and threonines. HCF-1 also undergoes irreversible site-specific proteolysis, which is important for one of HCF-1's major functions - the regulation of the cell-division cycle. HCF-1 O-GlcNAcylation and site-specific proteolysis are both catalyzed by a single enzyme with an unusual dual enzymatic activity, the O-GlcNAc transferase (OGT). HCF-1 is cleaved by OGT at any of six highly conserved 26 amino acid repeated sequences (HCF-1PRO repeats), but the mechanisms and the substrate requirements for OGT-mediated cleavage are not understood. In the present work, I characterized substrate requirements for OGT-mediated cleavage and O-GlcNAcylation of HCF-1. I identified key elements within the HCF-1PRO-repeat sequence that are important for proteolysis. Remarkably, an invariant single amino acid side-chain within the HCF-1PRO-repeat sequence displays particular OGT-binding properties and is essential for proteolysis. Additionally, I characterized substrate requirements for proteolysis outside of the HCF-1PRO repeat and identified a novel, highly O-GlcNAcylated OGT-binding sequence that enhances cleavage of the first HCF-1PRO repeat. These results link OGT association and its O-GlcNAcylation activities to HCF-1PRO-repeat proteolysis.

Expression of the inducible NO synthase in human monocytic U937 cells allows high output nitric oxide production.

Nitric oxide (NO) produced by inducible NO synthase (iNOS, NOS-2) is an important component of the macrophage-mediated immune defense toward numerous pathogens. Murine macrophages produce NO after cytokine activation, whereas, under similar conditions, human macrophages produce low levels or no NO at all. Although human macrophages can express iNOS mRNA and protein on activation, whether they possess the complete machinery necessary for NO synthesis remains controversial. To define the conditions necessary for human monocytes/macrophages to synthesize NO when expressing a functional iNOS, the human monocytic U937 cell line was engineered to synthesize this enzyme, following infection with a retroviral expression vector containing human hepatic iNOS (DFGiNOS). Northern blot and Western blot analysis confirmed the expression of iNOS in transfected U937 cells both at the RNA and protein levels. NOS enzymatic activity was demonstrated in cell lysates by the conversion of L-[3H]arginine into L-[3H]citrulline and the production of NO by intact cells was measured by nitrite and nitrate accumulation in culture supernatants. When expressing functional iNOS, U937 cells were capable of releasing high levels of NO. NO production was strictly dependent on supplementation of the culture medium with tetrahydrobiopterin (BH4) and was not modified by stimulation of the cells with different cytokines. These observations suggest that (1) human monocytic U937 cells contain all the cofactors necessary for NO synthesis, except BH4 and (2) the failure to detect NO in cytokine-stimulated untransfected U937 cells is not due to the presence of a NO-scavenging molecule within these cells nor to the destabilization of iNOS protein. DFGiNOS U937 cells represent a valuable human model to study the role of NO in immunity toward tumors and pathogens.

Frequent nitric oxide synthase-2 expression in human colon adenomas: implication for tumor angiogenesis and colon cancer progression.

An increased expression of nitric oxide synthase (NOS) has been observed in human colon carcinoma cell lines as well as in human gynecological, breast, and central nervous system tumors. This observation suggests a pathobiological role of tumor-associated NO production. Hence, we investigated NOS expression in human colon cancer in respect to tumor staging, NOS-expressing cell type(s), nitrotyrosine formation, inflammation, and vascular endothelial growth factor expression. Ca2+-dependent NOS activity was found in normal colon and in tumors but was significantly decreased in adenomas (P < 0.001) and carcinomas (Dukes' stages A-D: P < 0.002). Ca2+-independent NOS activity, indicating inducible NOS (NOS2), is markedly expressed in approximately 60% of human colon adenomas (P < 0.001 versus normal tissues) and in 20-25% of colon carcinomas (P < 0.01 versus normal tissues). Only low levels were found in the surrounding normal tissue. NOS2 activity decreased with increasing tumor stage (Dukes' A-D) and was lowest in colon metastases to liver and lung. NOS2 was detected in tissue mononuclear cells (TMCs), endothelium, and tumor epithelium. There was a statistically significant correlation between NOS2 enzymatic activity and the level of NOS2 protein detected by immunohistochemistry (P < 0.01). Western blot analysis of tumor extracts with Ca2+-independent NOS activity showed up to three distinct NOS2 protein bands at Mr 125,000-Mr 138,000. The same protein bands were heavily tyrosine-phosphorylated in some tumor tissues. TMCs, but not the tumor epithelium, were immunopositive using a polyclonal anti-nitrotyrosine antibody. However, only a subset of the NOS2-expressing TMCs stained positively for 3-nitrotyrosine, which is a marker for peroxynitrite formation. Furthermore, vascular endothelial growth factor expression was detected in adenomas expressing NOS2. These data are consistent with the hypothesis that excessive NO production by NOS2 may contribute to the pathogenesis of colon cancer progression at the transition of colon adenoma to carcinoma in situ.