Saccharomyces cerevisiae, a tool to study the β-oxidation through the synthesis of polyhydroxyalkanoates

Summary Polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a family of polyesters naturally synthesized by a wide variety of bacteria. Through their thermoplastic and elastomeric qualities, together with their biodegradable and renewable properties, they are predicted to be a good alternative to the petroleum- derived plastics. Nevertheless, as PHA production costs using bacteria fermentation are still too high, PHA synthesis within eukaryotic systems, such as plants, has been elaborated. Although the costs were then efficiently lowered, the yield of PHAs produced remained low. In this study, Saccharomyces cerevisae has been used as another eukaryotic model in order to reveal the steps which limit PHA production. These cells express the PHA synthase of Pseudomonas aeruginosa and the PHAs obtained were analyzed to understand the flux of fatty acids towards and through the peroxisomal β-oxidation core cycle, generating the main substrate of the PHA synthase. When S. cerevisiae wild-type cells are grown in a media containing glucose as carbon source as well as fatty acids, the PHA monomer composition is largely influenced by the nature of the external fatty acid used. Thus, even-chain PHA monomers are generated from oleic acid (18:1Δ9cis) and odd- chain PHA monomers are generated from heptadecenoic acid (17:1Δ. 10 cis). Moreover, PHA synthesis is dependent on the first two enzymes of the 0-oxidation core cycle, the acyl-CoA oxidase and the multifunctional enzyme enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. S. cerevisiae mutant cells growing on oleic or heptadecenoic acid and deficient in either the R-3- hydroxyacyl-CoA dehydrogenase or in the 3-ketothiolase activity, the last β-oxidation cycle steps, surprisingly contained PHAs of predominantly even-chain monomers. This is also noticed in wild- type and mutants grown on glucose or raffinose, indicating that the substrate used for PHA synthesis is generated from the degradation of intracellular short- and medium-chain fatty acids by the 3- oxidation cycle. Inhibition of fatty acid biosynthesis by cerulenin blocks the synthesis of PHAs from intracellular fatty acids but still enables the use of extracellular fatty acids for polymer production. Together, these results uncovered the existence of a substantial futile cycle whereby short- and medium-chain intermediates of the cytoplasmic fatty acid biosynthetic pathway are directed towards the peroxisomal β-oxidation pathway. In this thesis, no increase of the yield of PHA produced could be obtained. But the PHA synthesis confirmed the carbon flux into and through the β-oxidation core cycle and unveiled the existence of novel mechanisms. It is thus a good tool to study in vivo the flux of carbons in S. cerevisiae cells. Résumé Les polyhydroxyalkanoates (PHAs) sont une famille de polyesters naturellement synthétisés par un grand nombre de bactéries. Ayant des propriétés de thermoplastiques, d'élastomères et étant des ressources biodégradables et renouvelables, les PHAs représentent une bonne alternative aux plastiques dérivés du pétrole. Pour pallier aux coûts considérables de la production de PHAs par fermentation bactérienne, la synthèse de PHAs par des systèmes eucaryotes telles les plantes a été élaborée. Les coûts ont ainsi efficacement été diminués, mais le rendement de PHAs produits reste faible. Dans cette étude, Saccharomyces cerevisiae a été utilisé comme autre modèle eucaryote pour révéler les étapes limitantes de la production de PHAs. Les PHAs obtenus dans les cellules exprimant la F'HA synthase de Pseudomonas aeruginosa ont été analysés afin de comprendre le flux d'acides gras vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation, principal producteur du substrat de la PHA synthase. Lorsque la souche S. cerevisiae de type sauvage se développe dans un milieu contenant du glucose et des acides gras, la composition des monomères de PHAs est influencée par la nature des acides gras extracellulaires. Ainsi, les monomères pairs sont générés par l'acide oléique (18:1Δ9cis), tandis que les impairs le sont par l'acide heptadécénoïque (17:1Δ10cis). La synthèse de PHAs est dépendante des deux premières enzymes de la β-oxidation; l'acyl-CoA oxidase et l'enzyme multifonctionnelle enoyl-CoA hydratase II / R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase. Les souches mutantes ne possédant pas les activités de la R-3-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase ou de la 3- ketothiolase contiennent, en présence d'acide oléique ou heptadécénoïque, des PHAs composés essentiellement de monomères pairs. Cela a également été observé en présence de glucose ou de raffinose uniquement. Le substrat utilisé pour la synthèse de PHAs a ainsi été généré par la dégradation d'acides gras intracellulaires à chaîne courte et moyenne via le cycle de la β-oxidation. L'inhibition de la synthèse d'acides gras par la cérulénine a bloqué la synthèse de PHAs par les acides gras internes. Ces résultats ont révélés l'existence d'un cycle futile par lequel des intermédiaires à chaîne courte et moyenne de la synthèse cytoplasmique d'acides gras sont dirigés vers le cycle péroxisomal de la β-oxidation. Dans cette étude, le rendement de PHAs produits reste inchangé, mais l'analyse des PHAs permet de confirmer le flux de carbones vers et à travers le cycle péroxisomal de la β-oxidation et l'existence de nouveaux méchanismes a été dévoilée. Cette synthèse s'avère être un bon outil pour étudier in vivo le flux de carbones dans les cellules de S. cerevisiae.

In vitro effect of malachite green on Candida albicans involves multiple pathways and transcriptional regulators UPC2 and STP2.

In this study, we show that a chemical dye, malachite green (MG), which is commonly used in the fish industry as an antifungal, antiparasitic, and antibacterial agent, could effectively kill Candida albicans and non-C. albicans species. We have demonstrated that Candida cells are susceptible to MG at a very low concentration (MIC that reduces growth by 50% [MIC(50)], 100 ng ml(-1)) and that the effect of MG is independent of known antifungal targets, such as ergosterol metabolism and major drug efflux pump proteins. Transcriptional profiling in response to MG treatment of C. albicans cells revealed that of a total of 207 responsive genes, 167 genes involved in oxidative stress, virulence, carbohydrate metabolism, heat shock, amino acid metabolism, etc., were upregulated, while 37 genes involved in iron acquisition, filamentous growth, mitochondrial respiration, etc., were downregulated. We confirmed experimentally that Candida cells exposed to MG resort to a fermentative mode of metabolism, perhaps due to defective respiration. In addition, we showed that MG triggers depletion of intracellular iron pools and enhances reactive oxygen species (ROS) levels. These effects could be reversed by the addition of iron or antioxidants, respectively. We provided evidence that the antifungal effect of MG is exerted through the transcription regulators UPC2 (regulating ergosterol biosynthesis and azole resistance) and STP2 (regulating amino acid permease genes). Taken together, our transcriptome, genetic, and biochemical results allowed us to decipher the multiple mechanisms by which MG exerts its anti-Candida effects, leading to a metabolic shift toward fermentation, increased generation of ROS, labile iron deprivation, and cell necrosis.

Fermentative 2-carbon metabolism produces carcinogenic levels of acetaldehyde in Candida albicans.

Acetaldehyde is a carcinogenic product of alcohol fermentation and metabolism in microbes associated with cancers of the upper digestive tract. In yeast acetaldehyde is a by-product of the pyruvate bypass that converts pyruvate into acetyl-Coenzyme A (CoA) during fermentation. The aims of our study were: (i) to determine the levels of acetaldehyde produced by Candida albicans in the presence of glucose in low oxygen tension in vitro; (ii) to analyse the expression levels of genes involved in the pyruvate-bypass and acetaldehyde production; and (iii) to analyse whether any correlations exist between acetaldehyde levels, alcohol dehydrogenase enzyme activity or expression of the genes involved in the pyruvate-bypass. Candida albicans strains were isolated from patients with oral squamous cell carcinoma (n = 5), autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy (APECED) patients with chronic oral candidosis (n = 5), and control patients (n = 5). The acetaldehyde and ethanol production by these isolates grown under low oxygen tension in the presence of glucose was determined, and the expression of alcohol dehydrogenase (ADH1 and ADH2), pyruvate decarboxylase (PDC11), aldehyde dehydrogenase (ALD6) and acetyl-CoA synthetase (ACS1 and ACS2) and Adh enzyme activity were analysed. The C. albicans isolates produced high levels of acetaldehyde from glucose under low oxygen tension. The acetaldehyde levels did not correlate with the expression of ADH1, ADH2 or PDC11 but correlated with the expression of down-stream genes ALD6 and ACS1. Significant differences in the gene expressions were measured between strains isolated from different patient groups. Under low oxygen tension ALD6 and ACS1, instead of ADH1 or ADH2, appear the most reliable indicators of candidal acetaldehyde production from glucose.

Analyse de l'activité de match chez l'arbitre de football par accéléromètre et critique des tests de sélection FIFA

Introduction : Depuis 2005, le « Test FIFA » est utilisé chez les arbitres de football, comme critère de sélection pour monter dans les échelons de l'arbitrage et chaque arbitre base son entraînement dans cet objectif. Ce test a été développé grâce aux nombreux travaux scientifiques, ayant utilisé l'analyse vidéo, afin de quantifier les activités de match des arbitres et analyser leur performance en cours de match. Objectifs : Le but de ce travail a été d'évaluer la performance de l'arbitre, lors d'un match de football, au moyen d'un accéléromètre en raison de sa facilité d'utilisation et en particulier d'évaluer si au cours du match, il existe une éventuelle diminution de la capacité de performance engendrée par la fatigue. Enfin, à la lumière des résultats, nous avons pu discuter du bien fondé du «test par intervalle proposé par la FIFA» comme moyen d'estimation de la capacité physique d'un arbitre. Méthode : Il s'agit d'une étude prospective basée sur une analyse descriptive. Les données ont été récoltées dans des stades de football suisses ≥1ère Ligue, du 01.12.2011 au 01.12.2012. Le groupe étudié était composé de 5 arbitres de football de sexe masculin, dont deux officiant en 1ère Ligue et faisant partie des talents de l'Association Cantonale Vaudoise de Football (ACVF) et trois en Super League et Challenge League. Les 5 arbitres ont été équipés d'un iPhone 3GS®, muni d'une application, capable d'enregistrer les déplacements sur le terrain (arrêt, marche et course). Le traitement des données a été effectué par un programme Matlab®, élaboré par le Laboratoire des Mesures d'Analyse du Mouvement (LMAM) de l'EPFL, tout comme l'application en question. Pour ce travail ont été considérées les phases et les fréquences d'arrêt, de marche et de course tout au long de l'évolution de la partie. Résultats : Durant les 90 minutes du match, la répartition se fait de la manière suivante : 13,74% du temps total où l'accéléromètre ne mesure aucune activité, 33,70% concernent une activité de course alors que le reste, 52,48% est de la marche. Avec l'avancement dans le match, il est constaté une augmentation des phases d'arrêt et une diminution du temps de course. Une intensité d'effort plus importante est observée lors des 15 premières minutes du match (environ  41,7% de course), alors qu'en fin de la partie, il y a une alternance de marche et de course avec des efforts de plus en plus brefs. La détermination de la médiane de durée des différents efforts a montré qu'un épisode de marche ou de course étaient de 5-6 secondes. De plus, les épisodes de marche ou de course étaient rarement >20 secondes. Discussion : Les résultats montrent que l'accéléromètre est un système de mesure facile d'utilisation, permettant un gain de temps dans l'analyse des données pour évaluer la performance sportive. Les principaux résultats de cette étude, ont mis en évidence une diminution de l'intensité des activités physiques de l'arbitre avec l'avancement du match, résultant soit de sa propre fatigue, soit de celle des joueurs dictant le rythme du jeu. Cette diminution se traduit par des déplacements de plus en plus brefs au fil du temps. La mesure de médiane du temps de course et de marche (5-6 sec) correspond à une activité aérobie pour la marche et anaérobie alactique pour la course. Par conséquent, le « test par intervalle » de la FIFA actuel ne nous semble pas adéquat en raison de sa filière énergétique de type anaérobique lactique. Conclusion : Cette étude pilote apporte un nouveau type d'instrumentation efficace et simple, jamais employé auparavant dans l'analyse des activités de match des arbitres de football. Il permet d'explorer des mouvements avec précision au fil du match et apporte un nouvel aspect sur la quantification de performance des arbitres non exploré jusqu'ici. Après analyse de l'ensemble des paramètres, il semble que le test FIFA ne soit pas adapté à la performance exigée par l'arbitrage.

Regulation of inflammatory responses by the commensal microbiota.

It is well established that dysregulation of the interactions between the immune system and commensal bacteria is one factor that underpins the development and chronicity of a number of inflammatory diseases. Certain phyla of bacteria within the microbiota have been associated with 'health', but the mechanisms by which the presence of these bacteria supports a healthy environment are still being unravelled. Recent evidence indicates that one such mechanism involves the anti-inflammatory properties of fermentation products of fibre, short-chain fatty acids and their signalling through the G-protein coupled receptor GPR43. Recent findings also indicate that, even in health, bacterial communities harbour in the airways, indicating that direct exposure to bacterial products at this site may provide a further explanation for how commensal bacteria can regulate chronic airway inflammation.

Oui à la chasse au dopage pour la santé des athlètes et du sport [Sports and athletes deserve doping runting].

Cet article se veut une revue des effets ergogéniques et potentiellement délétères des principaux compléments alimentaires consommés par les sportifs populaires ou d'élite. De nombreux produits sont proposés sur le marché avec des allégations prometteuses, le plus souvent sans preuve scientifique sur leur validité ou leur innocuité. Les antioxydants n'augmentent ni la force ni l'endurance. La créatine améliore la capacité de récupération pour les exercices en intervalle anaérobie mais pas en course à pied ni en natation. L'hormone de croissance et les stéroïdes anabolisants augmentent la synthèse protéique et la masse maigre mais comportent des effets secondaires graves et souvent irréversibles. Les médecins, les diététiciens et les fédérations sportives ont un rôle important à jouer dans l'information et la prévention, afin d'éviter des attitudes néfastes pour la santé, pouvant même créer des addictions. This article reviews the evidence-based ergogenic potential adverse effects of the most common products in use by recreational and elite athletes today. This is an aggressively marketed and controversial area of sports medicine wordwide. It is therefore important for the scientific societies, clinicians, dieticians sports federations to be well versed in the more popular supplements and drugs in order to have an important role in information and prevention attitudes that can lead to health risks or addictions!

Les aquaporines 4 et 9 dans le système nerveux central : expression lors de la différenciation cellulaire et implication dans le métabolisme énergétique astrocytaire "in vitro"

RESUME : Les aquaporines (AQPs) sont des protéines membranaires perméables à l'eau (aquaporines strictes) et, pour certaines d'entre elles, également au glycérol (aquaglycéroporines). Ces protéines sont présentes dans les bactéries, les plantes et les différents organes des mammifères. Dans le cerveau, la moindre augmentation de volume hydrique peut avoir de graves conséquences sur son fonctionnement, d'où l'importance de la régulation de l'homéostasie de l'eau grâce aux AQPs. L'AQP4, une aquaporine stricte, est présente dans les astrocytes et est impliquée dans la formation et la résorption des oedèmes cérébraux. En revanche, l'AQP9 est une aquaglycéroporine, qui est localisée non seulement dans les astrocytes mais également dans les neurones catécholaminergiques. Bien que la distribution de l'AQP4 dans le cerveau soit clairement établie, la présence de l'AQP9 est toujours une donnée controversée et son rôle fonctionnel dans le système nerveux central n'est pas connu. Par ailleurs, aucune donnée n'existe sur l'expression des AQP4 et 9 lors de la différenciation de cellules souches neurales foetales (CSNf) en astrocytes ou en neurones catécholaminergiques. Dans la première partie de ce travail, un protocole a été mis au point permettant de différencier des CSNf de souris en astrocytes et neurones, dont des neurones catécholaminergiques. La caractérisation des cultures de CSNf et des cultures mixtes par immunofluorescence a permis de montrer que l'immunomarquage AQP9 est présent dans les CSNf et est conservé lors de leur différenciation en astrocytes ou en neurones catécholaminergiques. Les résultats obtenus ont mis en évidence une très bonne corrélation entre l'expression de la TH (tyrosine hydroxylase: enzyme limitante de la synthèse des catécholamines) et celle de l'AQP9 lors de la différenciation des CSNf en neurones catécholaminergiques. Par contre, l'immunomarquage AQP4 n'est pas présent dans les CSNf alors qu'il est observé dans les astrocytes. De plus, aucun immunomarquage AQP4 ou AQP9 n'a été observé dans les neurones NIAP2-positifs. Dans la deuxième partie de ce travail, l'expression des AQP4 et 9 a été quantifiée dans les CSNf ainsi que dans trois populations d'astrocytes présentant des propriétés métaboliques différentes. Ces trois populations astrocytaires sont issues de la différenciation des CSNf par le CNTF, le LIF ou le sérum de veau foetal. Les analyses par RTPCR quantitative et western blot ont montré une augmentation de l'expression de l'AQP9 et de l'AQP4 corrélée à l'acquisition de propriétés métaboliques spécifiques des astrocytes matures. Dans la dernière partie, la technique d'ARN interférents a permis d'étudier le rôle fonctionnel de l'AQP9 dans le modèle de culture pure d'astrocytes différenciés par le sérum. L'inhibition de l'expression d'AQP9 entraîne une diminution de la perméabilité au glycérol et une augmentation de l'utilisation de glucose, corrélée à une stimulation du métabolisme oxydatif astrocytaire. En revanche, 1a baisse d'expression d'AQP9 n'a aucun effet sur la glycolyse anaérobie ni sur la libération du lactate. En conclusion, dans ce modèle in vitro, seule l'AQP9 est exprimée dans les CSNf et les neurones catécholaminergiques alors que dans Ies astrocytes, à la fois l'AQP9 et l'AQP4 sont exprimées. Cette distribution est identique à celle observée in vivo et confirme la localisation spécifique de l'AQP9 dans les neurones catécholaminergiques. De plus, ces résultats montrent, pour la première fois, l'implication de l'AQP9 dans la perméabilité des astrocytes au glycérol et son implication dans le métabolisme énergétique astrocytaire. ABSTACT : Aquaporins (AQPs) are membrane proteins permeable to water (orthodoxes aquaporins) and some of them are also permeable to glycerol (aquaglyceroporins). These proteins are widely expressed in bacteria, plants and mammals. AQP water homeostasis regulation in brain is of primary importance as the brain volume cannot increase. AQP4, an orthodoxe aquaporin, is present in astrocytes and seems to be involved in edema formation and resorption. On the other hand, AQP9 is an aquaglyceroporin which is localised not only in astrocytes but also in catecholaminergic neurons. Although AQP4 distribution in brain is clearly established, the presence of AQP9 is still a discussed data and its functional role in the central nervous system is unknown. In addition, no data exists on AQP4 or AQP9 expression during fetal neural stem cells (fNSC) differentiation into astrocytes or catecholaminergic neurons. In the first part of this work, a protocol was developed to differentiate mouse fNSC into astrocytes and neurons, with the aim to obtain catecholaminergic neurons. By immunefluorescence, we have shown that AQP9 is expressed in fNSC cultures and also in astrocytes and catecholaminergic neurons in mixt cultures. The results obtained highlighted a very good correlation between TH expression (tyrosin hydroxylase being a limiting enzyme of catecholamines synthesis) and AQP9 in fNSC and all along their differentiation into catecholaminergic neurons. On the other hand, AQP4 immunolabelling is not observed in fNSC whereas it is in astrocytes. Moreover, neitheir AQP4, nor AQP9 immunoreactivity was observed in MAP2-positive neurons. In the second part of this work, AQP4 and AQP9 expression was quantified in fNSC and in three populations of astrocytes presenting different metabolic properties. These three astrocyte populations result from fNSC differentiation by addition of CNTF, LIF or fetal calf serum. Quantitative RT-PCR and western blot analyses have shown an increase in both AQP4 and AQP9 expression, correlated with the acquisition of specific metabolic properties of mature astrocytes. In the last part, siRNA were used to study the functional role of AQP9 in the pure astrocyte culture model differentiated by addition of fetal calf serum. Inhibition of AQP9 expression leads to a decrease of glycerol uptake and to an increase of glucose uptake, correlated with a stimulation of the astrocyte oxydative metabolism. On the other hand, inhibition of AQP9 expression does not have any effect on anaerobic glycolysis nor on lactate release. In conclusion, in this in vitro model, only AQP9 is expressed in fNSC and in catecholaminergic neurons whereas in astrocytes, both AQP9 and AQP4 are expressed. This distribution is identical to that observed in vivo and confirms the specific AQP9 localization in catecholaminergic neurons. IVloreover, these results show, for the first time, that AQP9 is implicated in glycerol uptake and in astrocyte energetic metabolism. Résumé large public : Les aquaporines, des protéines localisées dans les membranes cellulaires sont, comme leur nom l'indique, des canaux à eau. Pendant longtemps, il a été considéré que l'eau diffusait librement dans et à travers les cellules; la caractérisation des AQPs a révolutionné la vision des scientifiques concernant les mouvements d'eau entre les différents compartiments infra et extracellulaires, et a d'ailleurs valu le Prix Nobel à Peter Agre en 1992. Certaines AQPs, dites "strictes", laissent passer uniquement l'eau et participent au contrôle du volume hydrique. Ce contrôle est particulièrement important pour le bon fonctionnement du cerveau en raison de la présence de la boîte crânienne qui limite les variations de volume. D'autres AQPs, les aquaglycéroporines, sont perméables non seulement à l'eau mais également à d'autres molécules comme le glycérol. Elles facilitent, par exemple, la sortie du glycérol des cellules graisseuses et sa capture par les cellules du foie afin de produire du glucose en période de jeûne. Le cerveau est principalement composé de deux types de cellules: les neurones et les cellules gliales, majoritairement des astrocytes. L'AQP4, une AQP stricte, est présente dans les astrocytes et joue un rôle dans la formation et la résorption des oedèmes cérébraux. L'AQP9, une aquaglycéroporine, est également présente dans les astrocytes et dans une population spécifique de neurones, les neurones catécholaminergiques, touchés dans la maladie de Parkinson. A ce jour, la présence de l'AQP9 dans le cerveau est une donnée controversée et son rôle fonctionnel est inconnu. Ce travail de thèse a permis de montrer que l'AQP9 est bien présente d'une part dans les cellules souches neurales foetales et d'autre ,part dans les astrocytes et neurones catécholaminergiques issus de leur différenciation. De plus, ces expériences ont mis en évidence un rôle de l'AQP9 dans l'entrée du glycérol dans les astrocytes, ce qui pourrait être bénéfique dans des conditions d'ischémie. Enfin, les .résultats de cette étude suggèrent également un rôle de l'AQP9 dans le métabolisme énergétique des astrocytes. L'ensemble de ces travaux démontre le rôle important de l'AQP9 dans le cerveau et ouvre de nouvelles perspectives quant aux rôles des AQPs dans des situations pathologiques telles que l'ischémie cérébrale ou encore la maladie de Parkinson.