METABOLIC EFFECTS OF DIETARY PROTEINS

SUMMARY :Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is characterized by an elevated intra- hepatocellular lipid (IHCL) concentration (> 5%). The incidence of NAFLD is frequently increased in obese patients, and is considered to be the hepatic component of the metabolic syndrome. The metabolic syndrome, also characterized by visceral obesity, altered glucose homeostasis, insulin resistance, dyslipidemia, and high blood pressure, represents actually a major public health burden. Both dietary factors and low physical activity are involved in the development of the metabolic syndrome. ln animals and healthy humans, high-fat or high-fructose diets lead to the development of several features of the metabolic syndrome including increased intrahepatic lipids and insulin resistance. ln contrast the effects of dietary protein are less well known, but an increase in protein intake has been suggested to exert beneficial effects by promoting weight loss and improving glucose homeostasis in insulin-resistant patients. Increased postprandial thermogenesis and enhanced satiety after protein ingestion may be both involved. The effects of dietary protein on hepatic lipids have been poorly investigated in humans, but preliminary studies in rodents have shown a reduction of hepatic lipids in carbohydrate fed rats and in obese rats. ln this context this work aimed at investigating the metabolic effects of dietary protein intake on hepatic lipid metabolism and glucose homeostasis in humans. The modulation by dietary proteins of exogenous lipid oxidation, net lipid oxidation, hepatic beta-oxidation, triglycerides concentrations, whole-body energy expenditure and glucose tolerance was assessed in the fasting state and in postprandial states. Measurements of IHCL were performed to quantify the amount of triglycerides in the liver. ln an attempt to cover all these metabolic aspects under different point of views, these questions were addressed by three protocols involving various feeding conditions. Study I addressed the effects of a 4-day hypercaloric high-fat high-protein diet on the accumulation of fat in the liver (IHCL) and on insulin sensitivity. Our findings indicated that a high protein intake significantly prevents intrahepatic fat deposition induced by a short- term hypercaloric high-fat diet, adverse effects of which are presumably modulated at the liver level.These encouraging results led us to conduct the second study (Study ll), as we were also interested in a more clinical approach to protein administration and especially if increased protein intakes might be of benefit for obese patients. Therefore the effects of one-month whey protein supplementation on IHCL, insulin sensitivity, lipid metabolism, glucose tolerance and renal function were assessed in obese women. Results showed that whey protein supplementation reduces hepatic steatosis and improves the plasma lipid profile in obese patients, without adverse effects on glucose tolerance or creatinine clearance. However since patients were fed ud-libitum, it remains possible that spontaneous carbohydrate and fat intakes were reduced due to the satiating effects of protein. The third study (Study lll) was designed in an attempt to deepen our comprehension about the mechanisms involved in the modulation of IHCL. We hypothesized that protein improved lipid metabolism and, therefore, we evaluated the effects of a high protein meal on postprandial lipid metabolism and glucose homeostasis after 4-day on a control or a protein diet. Our results did not sustain the hypothesis of an increased postprandial net lipid oxidation, hepatic beta oxidation and exogenous lipid oxidation. Four days on a high-protein diet rather decreased exogenous fat oxidation and enhanced postprandial triglyceride concentrations, by impairing probably chylomicron-TG clearance. Altogether the results of these three studies suggest a beneficial effect of protein intake on the reduction in lHCL, and clearly show that supplementation of proteins do not reduce IHCL by stimulating lipid metabolism, e.g. whole body fat oxidation, hepatic beta oxidation, or exogenous fat oxidation. The question of the effects of high-protein intakes on hepatic lipid metabolism is still open and will need further investigation to be elucidated. The effects of protein on increased postprandial lipemia and lipoproteins kinetics have been little investigated so far and might therefore be an interesting research question, considering the tight relationship between an elevation of plasmatic TG concentrations and the increased incidence of cardiovascular diseases.Résumé :La stéatose hépatique non alcoolique se caractérise par un taux de lipides intra-hépatiques élevé, supérieur à 5%. L'incidence de la stéatose hépatique est fortement augmentée chez les personnes obèses, ce qui mène à la définir comme étant la composante hépatique du syndrome métabolique. Ce syndrome se définit aussi par d'autres critères tels qu'obésité viscérale, altération de l'homéostasie du glucose, résistance à l'insuline, dyslipidémie et pression artérielle élevée. Le syndrome métabolique est actuellement un problème de santé publique majeur.Tant une alimentation trop riche et déséquilibrée, qu'une faible activité physique, semblent être des causes pouvant expliquer le développement de ce syndrome. Chez l'animal et le volontaire sain, des alimentations enrichies en graisses ou en sucres (fructose) favorisent le développement de facteurs associés au syndrome métabolique, notamment en augmentant le taux de lipides intra-hépatiques et en induisant le développement d'une résistance à l'insuline. Par ailleurs, les effets des protéines alimentaires sont nettement moins bien connus, mais il semblerait qu'une augmentation de l'apport en protéines soit bénéfique, favorisant la perte de poids et l'homéostasie du glucose chez des patients insulino-résistants. Une augmentation de la thermogenese postprandiale ainsi que du sentiment de satiété pourraient en être à l'origine.Les effets des protéines sur les lipides intra-hépatiques chez l'homme demeurent inconnus à ce jour, cependant des études préliminaires chez les rongeurs tendent à démontrer une diminution des lipides intra hépatiques chez des rats nourris avec une alimentation riche en sucres ou chez des rats obèses.Dans un tel contexte de recherche, ce travail s'est intéressé à l'étude des effets métaboliques des protéines alimentaires sur le métabolisme lipidique du foie et sur l'homéostasie du glucose. Ce travail propose d'évaluer l'effet des protéines alimentaires sur différentes voies métaboliques impliquant graisses et sucres, en ciblant d'une part les voies de l'oxydation des graisses exogènes, de la beta-oxydation hépatique et de l'oxydation nette des lipides, et d'autre part la dépense énergétique globale et l'évolution des concentrations sanguines des triglycérides, à jeun et en régime postprandial. Des mesures des lipides intra-hépatiques ont aussi été effectuées pour permettre la quantification des graisses déposées dans le foie.Dans le but de couvrir l'ensemble de ces aspects métaboliques sous différents angles de recherche, trois protocoles, impliquant des conditions alimentaires différentes, ont été entrepris pour tenter de répondre à ces questions. La première étude (Etude I) s'est intéressée aux effets d'u.ne suralimentation de 4 jours enrichie en graisses et protéines sur la sensibilité à l'insuline et sur l'accumulation de graisses intra-hépatiques. Les résultats ont démontré que l'apport en protéines prévient l'accumulation de graisses intra-hépatiques induite par une suralimentation riche en graisses de courte durée ainsi que ses effets délétères probablement par le biais de mécanismes agissant au niveau du foie. Ces résultats encourageants nous ont conduits à entreprendre une seconde étude (Etude ll) qui s'intéressait à l'implication clinique et aux bénéfices que pouvait avoir une supplémentation en protéines sur les graisses hépatiques de patients obèses. Ainsi nous avons évalué pendant un mois de supplémentation l'effet de protéines de lactosérum sur le taux de graisses intrahépatiques, la sensibilité à l'insuline, la tolérance au glucose, le métabolisme des graisses et la fonction rénale chez des femmes obèses. Les résultats ont été encourageants; la supplémentation en lactosérum améliore la stéatose hépatique, le profil lipidique des patientes obèses sans pour autant altérer la tolérance au glucose ou la clairance de la créatinine. L'effet satiétogene des protéines pourrait aussi avoir contribué à renforcer ces effets. La troisième étude s'est intéressée aux mécanismes qui sous-tendent les effets bénéfiques des protéines observés dans les 2 études précédentes. Nous avons supposé que les protéines devaient favoriser le métabolisme des graisses. Par conséquent, nous avons cherché a évaluer les effets d'un repas riche en protéines sur la lipémie postprandiale et l'homéostasie glucidique après 4 jours d'alimentation contrôlée soit isocalorique et équilibrée, soit hypercalorique enrichie en protéines. Les résultats obtenus n'ont pas vérifié l'hypothèse initiale ; ni une augmentation de l'oxydation nette des lipides, ni celle d'une augmentation de la béta-oxydation hépatique ou de l'oxydation d'un apport exogène de graisses n'a pu étre observée. A contrario, il semblerait même plutôt que 4 jours d'a]irnentation hyperprotéinée inhibent le métabolisme des graisses et augmente les concentrations sanguines de triglycérides, probablement par le biais d'une clairance de chylornicrons altérée. Globalement, les résultats de ces trois études nous permettent d'attester que les protéines exercent un effet bénéfique en prévenant le dépot de graisses intra-hépatiques et montrent que cet effet ne peut être attribué à une stimulation du métabolisme des lipides via l'augmentation des oxydations des graisses soit totales, hépatiques, ou exogènes. La question demeure en suspens à ce jour et nécessite de diriger la recherche vers d'autres voies d'exploration. Les effets des protéines sur la lipémie postprandiale et sur le cinétique des lipoprotéines n'a que peu été traitée à ce jour. Cette question me paraît néanmoins importante, sachant que des concentrations sanguines élevées de triglycérides sont étroitement corrélées à une incidence augmentée de facteurs de risque cardiovasculaire.

Whole body protein metabolism and resting energy expenditure in pregnant Gambian women.

Whole body protein metabolism and resting energy expenditure (REE) were measured at 11, 23, and 33 wk of pregnancy in nine pregnant (not malnourished) Gambian women and in eight matched nonpregnant nonlactating (NPNL) matched controls. Rates of whole body nitrogen flux, protein synthesis, and protein breakdown were determined in the fed state from the level of isotope enrichment of urinary urea and ammonia during a period of 9 h after a single oral dose of [15N]glycine. At regular intervals, REE was measured by indirect calorimetry (hood system). Based on the arithmetic end-product average of values obtained with urea and ammonia, a significant increase in whole body protein synthesis was observed during the second trimester (5.8 +/- 0.4 g.kg-1.day-1) relative to values obtained both for the NPNL controls (4.5 +/- 0.3 g.kg-1.day-1) and those during the first trimester (4.7 +/- 0.3 g.kg-1.day-1). There was a significant rise in REE during the third trimester both in the preprandial and postprandial states. No correlation was found between REE after meal ingestion and the rate of whole body protein synthesis.

Protein synthesis in jejunum and liver of neonatal calves fed vitamin A and lactoferrin

Rates of protein synthesis (PS) and turnover are more rapid during the neonatal period than during any other stage of postnatal life. Vitamin A and lactoferrin (Lf) can stimulate PS in neonates. However, newborn calves are vitamin A deficient and have a low Lf status, but plasma vitamin A and Lf levels increase rapidly after ingestion of colostrum. Neonatal calves (n = 6 per group) were fed colostrum or a milk-based formula without or with vitamin A, Lf, or vitamin A plus Lf to study PS in the jejunum and liver. l-[(13)C]Valine was intravenously administered to determine isotopic enrichment of free (nonprotein-bound) Val (AP(Free)) in the protein precursor pool, atom percentage excess (APE) of protein-bound Val, fractional protein synthesis rate (FSR) in the jejunum and liver, and isotopic enrichment of Val in plasma (APE(Pla)) and in the CO(2) of exhaled air (APE(Ex)). The APE, AP(Free), and FSR in the jejunum and liver did not differ significantly among groups. The APE(Ex) increased, whereas APE(Pla) decreased over time, but there were no group differences. Correlations were calculated between FSR(Jej) and histomorphometrical and histochemical data of the jejunum, and between FSR(Liv) and blood metabolites. There were negative correlations between FSR(Liv) and plasma albumin concentrations and between FSR(Jej) and the ratio of villus height:crypt depth, and there was a positive correlation between FSR(Jej) and small intestinal cell proliferation in crypts. Hence, there were no effects of vitamin A and Lf and no interactions between vitamin A and Lf on intestinal and hepatic PS. However, FSR(Jej) was correlated with histomorphometrical traits of the jejunum and FSR(Liv) was correlated with plasma albumin concentrations.

L'effet protecteur des protéines alimentaires et l'effet délétère des acides animés alimentaires sur la stéatose hépatique chez la souris [The protective effect of dietary protein and the deleterious effect of dietary amino acids in fatty liver in mice]

Introduction La maladie « Non-Alcoholic Fatty Liver Disease ; NAFLD » et l'obésité provoque la résistance à l'insuline, un symptôme caractéristique du syndrome métabolique. La fréquence de ces maladies a augmenté de manière importante durant ces dernières décennies. Cette augmentation est étroitement liée à la surcharge énergétique dans notre culture modernisée. Pour combattre cette situation, des régimes riches en protéines semblent être bénéfiques, en particulier parce que l'acide aminé leucine stimule la satiété. Cependant l'effet des protéines alimentaires sur la stéatose hépatique reste peu connu. Résultats : Pour étudier cette question, nous avons nourri des souris C57B6/J (âgées de 5 semaines) avec un régime standard (10% kcal graisse, 20% kcal protéine), un régime riche en graisse (45% kcal graisse, 20% kcal protéine) ou un régime riche en graisse et enrichi en protéines (45% kcal graisse, 40% kcal protéine) pendant 10 semaines. Nous avons ainsi montré que l'addition de protéines au régime gras permet de prévenir la stéatose hépatique. Dans un deuxième temps nous avons testé si cet effet bénéfique des protéines alimentaires provient des acides aminés ramifiés (Branched-chain amino acids= BCAA : leucine, isoleucine, valine), composants majeurs de protéines alimentaires. Pour ce faire, nous avons ajouté un groupe de souris nourries au régime riche en graisses + BCAA (45% kcal graisse, 23% kcal protéine). Nos résultats montrent que l'addition des BCAA ne protège pas contre la stéatose hépatique, mais, au contraire, aggrave l'obésité et l'hyperinsulinémie. De manière intéressante, nous avons observé que la supplémentation en protéines ou en BCAA induit des effets différents sur la prise alimentaire et la dépense énergétique. Conclusion : Notre étude suggère clairement que les protéines alimentaires protègent contre l'obésité et la stéatose hépatique. Elle confirme également que les composants majeurs des protéines alimentaires (BCAA) n'exercent pas cet effet protecteur, mais qu'il aggrave le syndrome métabolique. Etant donné que l'ingestion importante et chronique de protéines alimentaires est délétère pour le rein, il serait très intéressant d'identifier les acides aminés spécifiques qui induiraient le même effet protecteur que les protéines alimentaires, mais sans perturber le fonctionnement rénal.

Evidence-Based Recommendations for Optimal Dietary Protein Intake in Older People: A Position Paper From the PROT-AGE Study Group.

New evidence shows that older adults need more dietary protein than do younger adults to support good health, promote recovery from illness, and maintain functionality. Older people need to make up for age-related changes in protein metabolism, such as high splanchnic extraction and declining anabolic responses to ingested protein. They also need more protein to offset inflammatory and catabolic conditions associated with chronic and acute diseases that occur commonly with aging. With the goal of developing updated, evidence-based recommendations for optimal protein intake by older people, the European Union Geriatric Medicine Society (EUGMS), in cooperation with other scientific organizations, appointed an international study group to review dietary protein needs with aging (PROT-AGE Study Group). To help older people (>65 years) maintain and regain lean body mass and function, the PROT-AGE study group recommends average daily intake at least in the range of 1.0 to 1.2 g protein per kilogram of body weight per day. Both endurance- and resistance-type exercises are recommended at individualized levels that are safe and tolerated, and higher protein intake (ie, ≥1.2 g/kg body weight/d) is advised for those who are exercising and otherwise active. Most older adults who have acute or chronic diseases need even more dietary protein (ie, 1.2-1.5 g/kg body weight/d). Older people with severe kidney disease (ie, estimated GFR <30 mL/min/1.73m(2)), but who are not on dialysis, are an exception to this rule; these individuals may need to limit protein intake. Protein quality, timing of ingestion, and intake of other nutritional supplements may be relevant, but evidence is not yet sufficient to support specific recommendations. Older people are vulnerable to losses in physical function capacity, and such losses predict loss of independence, falls, and even mortality. Thus, future studies aimed at pinpointing optimal protein intake in specific populations of older people need to include measures of physical function.

Contributions of fat and protein to the incretin effect of a mixed meal.

Background: The relative contributions of fat and protein to the incretin effect are still largely unknown.Objective: This study assessed the incretin effects elicited by a mixed meal, and by its fat and protein components alone, with the use of a hyperglycemic clamp combined with oral nutrients.Design: Eight healthy volunteers were studied over 6 h after ingestion of a sandwich containing 1) dried meat, butter, and white bread; 2) dried meat alone; 3) butter alone; or 4) no meal (fasting control). Meals were ingested during a hyperglycemic clamp, and the incretin effect was calculated as the increment in plasma insulin after food intake relative to the concentrations observed during the control study.Results: A significant augmentation of postprandial insulin secretion, independent of plasma glycemia, occurred after ingestion of the mixed nutrients and the lipid component of the mixed meal (203 +/- 20.7% and 167.4 +/- 22.9% of control, respectively; both P < 0.05), whereas the protein component did not induce a significant incretin effect (129.0 +/- 7.9% of control; P = 0.6)Conclusions: Fat ingestion, in an amount typical of a standard meal, increases insulin secretion during physiologic hyperglycemia and thus contributes to the incretin effect. In contrast, ingestion of protein typical of normal meals does not contribute to the augmentation of postprandial insulin secretion. This trial was registered at clinicaltrials.gov as NCT00869453.

Effects of dietary protein on lipid metabolism in high fructose fed humans.

BACKGROUND & AIMS: It has been reported that a high protein diet improves insulin sensitivity and reduces ectopic lipids in animals and humans with the metabolic syndrome. We therefore tested the hypothesis that a high dietary protein content may stimulate whole body lipid oxidation and alter post-prandial triglyceride (TG) after fructose ingestion. METHODS: The post-prandial metabolism of 8 young males was studied after two 6-day periods of hyper-energetic, high fructose diet (HiFruD), and after two 6-day periods of hyper-energetic high fructose high protein diet (HiFruHiProD). The order with which these periods were applied was randomized. At the end of each period, either a low protein, (13)C fructose test meal (Fru meal) or a high protein, (13)C fructose test meal (HiPro Fru meal) was administered. This resulted in the monitoring of metabolic parameters at 4 occasions in random order: a) with Fru meal ingested after HiFruD, b) with HiPro Fru meal ingested after HiFruD, c) with Fru meal ingested after HiFruHiProD or d) with HiPro Fru meal ingested after HiFruHiProD. On each occasion, post-prandial TG concentrations were monitored, energy expenditure and substrate metabolism were measured by indirect calorimetry, and fructose-induced gluconeogenesis was evaluated by measuring plasma (13)C-labeled glucose. RESULTS: TG responses to fructose ingestion were significantly higher after a hyper-energetic HiFruHiProD and after HiPro Fru meals than after a Fru meal ingested after a hyper-energetic HiFruD. Compared to low protein meals, high protein meals increased post-prandial energy expenditure, inhibited post-prandial lipid oxidation, and enhanced fructose-induced gluconeogenesis. These effects were similar with HiFruD and HiFruHiProD. CONCLUSIONS: Dietary proteins did not increase lipid oxidation and increased fructose-induced post-prandial TG in healthy humans fed an hyper-energetic, high fructose diet.

Contributions of fat protein to the incretin effect of a mixed meal

La régulation de la glycémie est une fonction complexe de l'organisme faisant intervenir de multiples mécanismes. Lors de la prise alimentaire, l'un des mécanismes impliqués dans l'homéostasie glucidique, notamment dans la sécrétion d'insuline, est l'axe entéroinsulaire. En effet, le contact des nutriments avec des cellules spécialisées réparties le long du tractus digestif déclenche la sécrétion d'hormones, appelées incretines, telles que le GLP-1 ou le GIP. Ces hormones gastro-intestinales potentialisent la sécrétion d'insuline (effet incrétine) et sont responsables d'une grande partie de la réponse insulinique à la prise orale de glucose.¦L'importance de ces hormones est particulièrement mise en évidence par des observations faites chez les sujets obèses ayant bénéficié d'une chirurgie bariatrique. En effet, après l'opération, la sensibilité à l'insuline et sa sécrétion sont améliorées chez des patients obèses diabétiques ou intolérants au glucose, alors que le pattern de sécrétion des hormones GI est nettement modifié avec notamment une augmentation de la sécrétion de GLP-1. L'augmentation de la sécrétion de ces hormones pourrait contribuer à l'amélioration de la tolérance glucidique en augmentant la sécrétion d'insuline en réponse à l'apport de nutriments. Cette activation exagérée de l'axe entéro-insulaire pourrait aussi contribuer à la pathogenèse des hypoglycémies postprandiales survenant parfois après un bypass gastrique¦Néanmoins, si le rôle des hormones gastro-intestinales est indubitale, il y a peu de données nous indiquant le rôle respectif des divers macronutriments composant un repas standard dans I'activation de l'axe entéro-insulaire. Dans ce travail, nous avons cherché à préciser le rôle spécifique de la partie lipidique et protéique d'un repas standard.¦Après avoir confirmé l'existence d'un effet incrétine lors de la consommation d'un repas test sous forme d'un sandwich, les résultats que nous avons obtenus montrent que l'ingestion de lipides en quantité correspondant à celle d'un repas standard augmente la sécrétion d'insuline, contribuant ainsi à l'effet incrétine, alors qu'à contrario, l'ingestion de protéines ne provoque pas d'augmentation de l'insulinémie et ainsi ne contribue pas à l'effet incrétine.¦Ces observations pourraient revêtir un intérêt pratique. En effet, la démonstration du rôle prépondérant d'un macronutriment dans l'effet incrétine suivant la prise d'un repas standard pourrait mener à des prescriptions diététiques dans le but d'améliorer le contrôle glycémique chez des patients diabétiques ou de diminuer les hypoglycémies suivant la prise alimentaire chez certains patients ayant bénéficié d'un bypass gastrique. De même, une meilleure compréhension du rôle des hormones incrétines a déjà ouvert de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement du diabète de type 2 avec le développement de nouvelles classes de médicaments telles que les analogues du GLP-1 ou les inhibiteurs de sa dégradation.

Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Proteomic and Metabolomic Analyses of Mitochondrial Complex I-deficient Mouse Model Generated by Spontaneous B2 Short Interspersed Nuclear Element (SINE) Insertion into NADH Dehydrogenase (Ubiquinone) Fe-S Protein 4 (Ndufs4) Gene.

Eukaryotic cells generate energy in the form of ATP, through a network of mitochondrial complexes and electron carriers known as the oxidative phosphorylation system. In mammals, mitochondrial complex I (CI) is the largest component of this system, comprising 45 different subunits encoded by mitochondrial and nuclear DNA. Humans diagnosed with mutations in the gene NDUFS4, encoding a nuclear DNA-encoded subunit of CI (NADH dehydrogenase ubiquinone Fe-S protein 4), typically suffer from Leigh syndrome, a neurodegenerative disease with onset in infancy or early childhood. Mitochondria from NDUFS4 patients usually lack detectable NDUFS4 protein and show a CI stability/assembly defect. Here, we describe a recessive mouse phenotype caused by the insertion of a transposable element into Ndufs4, identified by a novel combined linkage and expression analysis. Designated Ndufs4(fky), the mutation leads to aberrant transcript splicing and absence of NDUFS4 protein in all tissues tested of homozygous mice. Physical and behavioral symptoms displayed by Ndufs4(fky/fky) mice include temporary fur loss, growth retardation, unsteady gait, and abnormal body posture when suspended by the tail. Analysis of CI in Ndufs4(fky/fky) mice using blue native PAGE revealed the presence of a faster migrating crippled complex. This crippled CI was shown to lack subunits of the "N assembly module", which contains the NADH binding site, but contained two assembly factors not present in intact CI. Metabolomic analysis of the blood by tandem mass spectrometry showed increased hydroxyacylcarnitine species, implying that the CI defect leads to an imbalanced NADH/NAD(+) ratio that inhibits mitochondrial fatty acid β-oxidation.

Resting metabolic rate and protein turnover in apparently healthy elderly Gambian men.

Body composition, resting energy expenditure (REE), and whole body protein metabolism were studied in 26 young and 28 elderly Gambian men matched for body mass index during the dry season in a rural village in The Gambia. REE was measured by indirect calorimetry (hood system) in the fasting state and after five successive meals. Rates of whole body nitrogen flux, protein synthesis, and protein breakdown were determined in the fed state from the level of isotopic enrichment of urinary ammonia over a period of 12 h after a single oral dose of [15N]glycine. Expressed in absolute value, REE was significantly lower in the elderly compared with the young group (3.21 +/- 0.07 vs. 4.04 +/- 0.07 kJ/min, P < 0.001) and when adjusted to body weight (3.29 +/- 0.05 vs. 3.96 +/- 0.05 kJ/min, P < 0.0001) and fat-free mass (FFM; 3.38 +/- 0.01 vs. 3.87 +/- 0.01 kJ/min, P < 0.0001). The rate of protein synthesis averaged 207 +/- 13 g protein/day in the elderly and 230 +/- 13 g protein/day in the young group, whereas protein breakdown averaged 184 +/- 13 g protein/day in the elderly and 203 +/- 13 g protein/day in the young group (nonsignificant). When values were adjusted for body weight or FFM, they did not reveal any difference between the two groups. It is concluded that the reduced REE adjusted for body composition observed in elderly Gambian men is not explained by a decrease in protein turnover.

Expression of the alpha 1b-adrenergic receptor and G protein subunits in mammalian cell lines using the Semliki Forest virus expression system.

Semliki Forest virus (SFV) vectors have been efficiently used for rapid high level expression of several G protein-coupled receptors. Here we describe the use of SFV vectors to express the alpha 1b-adrenergic receptor (AR) alone or in the presence of the G protein alpha q and/or beta 2 and gamma 2 subunits. Infection of baby hamster kidney (BHK) cells with recombinant SFV-alpha 1b-AR particles resulted in high specific binding activity of the alpha 1b-AR (24 pmol receptor/mg protein). Time-course studies indicated that the highest level of receptor expression was obtained 30 hours post-infection. The stimulation of BHK cells, with epinephrine led to a 5-fold increase in inositol phosphate (IP) accumulation, confirming the functional coupling of the receptor to G protein-mediated activation of phospholipase C. The SFV expression system represents a rapid and reproducible system to study the pharmacological properties and interactions of G protein coupled receptors and of G protein subunits.

The protein phosphatase 7 regulates phytochrome signaling in Arabidopsis.

The psi2 mutant of Arabidopsis displays amplification of the responses controlled by the red/far red light photoreceptors phytochrome A (phyA) and phytochrome B (phyB) but no apparent defect in blue light perception. We found that loss-of-function alleles of the protein phosphatase 7 (AtPP7) are responsible for the light hypersensitivity in psi2 demonstrating that AtPP7 controls the levels of phytochrome signaling. Plants expressing reduced levels of AtPP7 mRNA display reduced blue-light induced cryptochrome signaling but no noticeable deficiency in phytochrome signaling. Our genetic analysis suggests that phytochrome signaling is enhanced in the AtPP7 loss of function alleles, including in blue light, which masks the reduced cryptochrome signaling. AtPP7 has been found to interact both in yeast and in planta assays with nucleotide-diphosphate kinase 2 (NDPK2), a positive regulator of phytochrome signals. Analysis of ndpk2-psi2 double mutants suggests that NDPK2 plays a critical role in the AtPP7 regulation of the phytochrome pathway and identifies NDPK2 as an upstream element involved in the modulation of the salicylic acid (SA)-dependent defense pathway by light. Thus, cryptochrome- and phytochrome-specific light signals synchronously control their relative contribution to the regulation of plant development. Interestingly, PP7 and NDPK are also components of animal light signaling systems.