Effect of insulin resistance on monounsaturated fatty acid levels : a multi-cohort non-targeted metabolomics and mendelian randomization study

Insulin resistance (IR) and impaired insulin secretion contribute to type 2 diabetes and cardiovascular disease. Both are associated with changes in the circulating metabolome, but causal directions have been difficult to disentangle. We combined untargeted plasma metabolomics by liquid chromatography/mass spectrometry in three non-diabetic cohorts with Mendelian Randomization (MR) analysis to obtain new insights into early metabolic alterations in IR and impaired insulin secretion. In up to 910 elderly men we found associations of 52 metabolites with hyperinsulinemic-euglycemic clamp-measured IR and/or β-cell responsiveness (disposition index) during an oral glucose tolerance test. These implicated bile acid, glycerophospholipid and caffeine metabolism for IR and fatty acid biosynthesis for impaired insulin secretion. In MR analysis in two separate cohorts (n = 2,613) followed by replication in three independent studies profiled on different metabolomics platforms (n = 7,824 / 8,961 / 8,330), we discovered and replicated causal effects of IR on lower levels of palmitoleic acid and oleic acid. A trend for a causal effect of IR on higher levels of tyrosine reached significance only in meta-analysis. In one of the largest studies combining "gold standard" measures for insulin responsiveness with non-targeted metabolomics, we found distinct metabolic profiles related to IR or impaired insulin secretion. We speculate that the causal effects on monounsaturated fatty acid levels could explain parts of the raised cardiovascular disease risk in IR that is independent of diabetes development.

New molecular targets in radiotherapy: DNA damage signalling and repair in targeted and non-targeted cells

Ionising radiation plays a key role in therapy due to its ability to directly induce DNA damage, in particular DNA double-strand breaks leading to cell death. Cells have multiple repair pathways which attempt to maintain genomic stability. DNA repair proteins have become key targets for therapy, using small molecule inhibitors, in combination with radiation and or chemotherapeutic agents as a means of enhancing cell killing. Significant advances in our understanding of the response of cells to radiation exposures has come from the observation of non-targeted effects where cells respond via mechanisms other than those which are a direct consequence of energy-dependent DNA damage. Typical of these is bystander signalling where cells respond to the fact that their neighbours have been irradiated. Bystander cells show a DNA damage response which is distinct from directly irradiated cells. In bystander cells, ATM- and Rad3-related (ATR) protein kinase-dependent signalling in response to stalled replication forks is an early event in the DNA damage response. The ATM protein kinase is activated downstream of ATR in bystander cells. This offers the potential for differential approaches for the modulation of bystander and direct effects with repair inhibitors which may impact on the response of tumours and on the protection of normal tissues during radiotherapy. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Non-targeted effects of ionising radiation-Implications for low dose risk

Non-DNA targeted effects of ionising radiation, which include genomic instability, and a variety of bystander effects including abscopal effects and bystander mediated adaptive response, have raised concerns about the magnitude of low-dose radiation risk. Genomic instability, bystander effects and adaptive responses are powered by fundamental, but not clearly understood systems that maintain tissue homeostasis. Despite excellent research in this field by various groups, there are still gaps in our understandfng of the likely mechanisms associated with non-DNA targeted effects, particularly with respect to systemic (human health) consequences at low and intermediate doses of ionising radiation. Other outstanding questions include links between the different non-targeted responses and the variations. in response observed between individuals and cell lines, possibly a function of genetic background. Furthermore, it is still not known what the initial target and early interactions in cells are that give rise to non-targeted responses in neighbouring or descendant cells. This paper provides a commentary on the current state of the field as a result of the non-targeted effects of ionising radiation (NOTE) Integrated Project funded by the European Union. Here we critically examine the evidence for non-targeted effects, discuss apparently contradictory results and consider implications for low-dose radiation health effects. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Development and Application of Improvements to the Tile-based Fisher Ratio Method and Fundamental Instrument Considerations for Non-targeted Analysis using Two-dimensional Gas Chromatography

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Large-scale metabolomic profiling identifies novel biomarkers for incident coronary heart disease

Analyses of circulating metabolites in large prospective epidemiological studies could lead to improved prediction and better biological understanding of coronary heart disease (CHD). We performed a mass spectrometry-based non-targeted metabolomics study for association with incident CHD events in 1,028 individuals (131 events; 10 y. median follow-up) with validation in 1,670 individuals (282 events; 3.9 y. median follow-up). Four metabolites were replicated and independent of main cardiovascular risk factors [lysophosphatidylcholine 18∶1 (hazard ratio [HR] per standard deviation [SD] increment = 0.77, P-value<0.001), lysophosphatidylcholine 18∶2 (HR = 0.81, P-value<0.001), monoglyceride 18∶2 (MG 18∶2; HR = 1.18, P-value = 0.011) and sphingomyelin 28∶1 (HR = 0.85, P-value = 0.015)]. Together they contributed to moderate improvements in discrimination and re-classification in addition to traditional risk factors (C-statistic: 0.76 vs. 0.75; NRI: 9.2%). MG 18∶2 was associated with CHD independently of triglycerides. Lysophosphatidylcholines were negatively associated with body mass index, C-reactive protein and with less evidence of subclinical cardiovascular disease in additional 970 participants; a reverse pattern was observed for MG 18∶2. MG 18∶2 showed an enrichment (P-value = 0.002) of significant associations with CHD-associated SNPs (P-value = 1.2×10-7 for association with rs964184 in the ZNF259/APOA5 region) and a weak, but positive causal effect (odds ratio = 1.05 per SD increment in MG 18∶2, P-value = 0.05) on CHD, as suggested by Mendelian randomization analysis. In conclusion, we identified four lipid-related metabolites with evidence for clinical utility, as well as a causal role in CHD development.

Metabolomics in plant-herbivore interactions: challenges and applications

Metabolomics as the study of the entire set of metabolites of a given organism is an important frontier in life sciences. As a tool that captures the ‘front end’ of cellular machineries, metabolomics is particularly suited to investigate biotic interactions, including for instance the interplay between plants and insects. In this review, we discuss the opportunities and challenges of metabolomics to study plant–herbivore interactions. We first present a brief overview of the typical analytical workflows used in metabolomics and their associated issues, in particular those related to metabolome coverage and compound identification. Second, recent advances in the field of plant–herbivore relationships that are promoted by non-targeted approaches are reviewed, with examples ranging from classical herbivore resistance patterns to plant-mediated interactions across different spatial scales and volatile-mediated tritrophic interactions. Through general considerations and the discussion of a few selected case studies, our review highlights the potential and challenges of metabolomics as a research approach to understand biological interfaces.