Transcriptional activation of the macrophage migration-inhibitory factor gene by the corticotropin-releasing factor is mediated by the cyclic adenosine 3',5'- monophosphate responsive element-binding protein CREB in pituitary cells.

Macrophage migration-inhibitory factor (MIF) has recently been identified as a pituitary hormone that functions as a counterregulatory modulator of glucocorticoid action within the immune system. In the anterior pituitary gland, MIF is expressed in TSH- and ACTH-producing cells, and its secretion is induced by CRF. To investigate MIF function and regulation within pituitary cells, we initiated the characterization of the MIF 5'-regulatory region of the gene. The -1033 to +63 bp of the murine MIF promoter was cloned 5' to a luciferase reporter gene and transiently transfected into freshly isolated rat anterior pituitary cells. This construct drove high basal transcriptional activity that was further enhanced after stimulation with CRF or with an activator of adenylate cyclase. These transcriptional effects were associated with a concomitant rise in ACTH secretion in the transfected cells and by an increase in MIF gene expression as assessed by Northern blot analysis. A cAMP-responsive element (CRE) was identified within the MIF promoter region which, once mutated, abolished the cAMP responsiveness of the gene. Using this newly identified CRE, DNA-binding activity was detected by gel retardation assay in nuclear extracts prepared from isolated anterior pituitary cells and AtT-20 corticotrope tumor cells. Supershift experiments using antibodies against the CRE-binding protein CREB, together with competition assays and the use of recombinant CREB, allowed the detection of CREB-binding activity with the identified MIF CRE. These data demonstrate that CREB is the mediator of the CRF-induced MIF gene transcription in pituitary cells through an identified CRE in the proximal region of the MIF promoter.

Identification of an agrin mutation that causes congenital myasthenia and affects synapse function.

We report the case of a congenital myasthenic syndrome due to a mutation in AGRN, the gene encoding agrin, an extracellular matrix molecule released by the nerve and critical for formation of the neuromuscular junction. Gene analysis identified a homozygous missense mutation, c.5125G>C, leading to the p.Gly1709Arg variant. The muscle-biopsy specimen showed a major disorganization of the neuromuscular junction, including changes in the nerve-terminal cytoskeleton and fragmentation of the synaptic gutters. Experiments performed in nonmuscle cells or in cultured C2C12 myotubes and using recombinant mini-agrin for the mutated and the wild-type forms showed that the mutated form did not impair the activation of MuSK or change the total number of induced acetylcholine receptor aggregates. A solid-phase assay using the dystrophin glycoprotein complex showed that the mutation did not affect the binding of agrin to alpha-dystroglycan. Injection of wild-type or mutated agrin into rat soleus muscle induced the formation of nonsynaptic acetylcholine receptor clusters, but the mutant protein specifically destabilized the endogenous neuromuscular junctions. Importantly, the changes observed in rat muscle injected with mutant agrin recapitulated the pre- and post-synaptic modifications observed in the patient. These results indicate that the mutation does not interfere with the ability of agrin to induce postsynaptic structures but that it dramatically perturbs the maintenance of the neuromuscular junction.

Calcium-mediated activation of pyruvate dehydrogenase in severely injured postischemic myocardium.

Indirect evidence suggests that activity of pyruvate dehydrogenase (PDH) influences recovery of the myocardium after transient ischemia. The present study examined the relationship between postischemic injury and activity of PDH and the role of mitochondrial calcium uptake for observed changes in PDH activity. Isovolumically beating isolated rat hearts perfused with erythrocyte-enriched buffer containing glucose, palmitate, and insulin were submitted to either 20 or 35 min of no-flow ischemia. After 20 min of no-flow ischemia, hearts exhibited complete recovery of developed left ventricular pressure (DLVP). The proportion of myocardial PDH in the active state was modestly increased to 38% (compared with 13% in control hearts) without a change in glucose oxidation. In contrast, in hearts subjected to 35 min of no-flow ischemia (which exhibited poor recovery of DLVP), there was marked stimulation of glucose oxidation (+460%; P < 0.01) and pronounced increase in the active fraction of PDH to 72% (P < 0.01). Glycolytic flux was not significantly altered. Ruthenium red (6 microM) completely abolished the activation of PDH and the increase in glucose oxidation. The results indicate that variable stimulation of glucose oxidation during reperfusion is related to different degrees of activation of PDH, which depends on the severity of the ischemic injury. Activation of PDH seems to be mediated by myocardial calcium uptake.

Islet Brain 1 Protects Insulin Producing Cells against Lipotoxicity.

Chronic intake of saturated free fatty acids is associated with diabetes and may contribute to the impairment of functional beta cell mass. Mitogen activated protein kinase 8 interacting protein 1 also called islet brain 1 (IB1) is a candidate gene for diabetes that is required for beta cell survival and glucose-induced insulin secretion (GSIS). In this study we investigated whether IB1 expression is required for preserving beta cell survival and function in response to palmitate. Chronic exposure of MIN6 and isolated rat islets cells to palmitate led to reduction of the IB1 mRNA and protein content. Diminution of IB1 mRNA and protein level relied on the inducible cAMP early repressor activity and proteasome-mediated degradation, respectively. Suppression of IB1 level mimicked the harmful effects of palmitate on the beta cell survival and GSIS. Conversely, ectopic expression of IB1 counteracted the deleterious effects of palmitate on the beta cell survival and insulin secretion. These findings highlight the importance in preserving the IB1 content for protecting beta cell against lipotoxicity in diabetes.

Myocyte necrosis is the basis for fibrosis in renovascular hypertensive rats

The pathogenesis of fibrosis and the functional features of pressure overload myocardial hypertrophy are still controversial. The objectives of the present study were to evaluate the function and morphology of the hypertrophied myocardium in renovascular hypertensive (RHT) rats. Male Wistar rats were sacrificed at week 4 (RHT4) and 8 (RHT8) after unilateral renal ischemia (Goldblatt II hypertension model). Normotensive rats were used as controls. Myocardial function was analyzed in isolated papillary muscle preparations, morphological features were defined by light microscopy, and myocardial hydroxyproline concentration (HOP) was determined by spectrophotometry. Renal artery clipping resulted in elevated systolic arterial pressure (RHT4: 178 ± 19 mmHg and RHT8: 194 ± 24 mmHg, P<0.05 vs control: 123 ± 7 mmHg). Myocardial hypertrophy was observed in both renovascular hypertensive groups. The myocardial HOP concentration was increased in the RHT8 group (control: 2.93 ± 0.38 µg/mg; RHT4: 3.02 ± 0.40 µg/mg; RHT8: 3.44 ± 0.45 µg/mg of dry tissue, P<0.05 vs control and RHT4 groups). The morphological study demonstrated myocyte necrosis, vascular damage and cellular inflammatory response throughout the experimental period. The increased cellularity was more intense in the adventitia of the arterioles. As a consequence of myocyte necrosis, there was an early, local, conjunctive stroma collapse with disarray and thickening of the argyrophilic interstitial fibers, followed by scarring. The functional data showed an increased passive myocardial stiffness in the RHT4 group. We conclude that renovascular hypertension induces myocyte and arteriole necrosis. Reparative fibrosis occurred as a consequence of the inflammatory response to necrosis. The mechanical behavior of the isolated papillary muscle was normal, except for an early increased myocardial passive stiffness

Effect of trolox C on cardiac contracture induced by hydrogen peroxide

Hydrogen peroxide (H2O2) perfused into the aorta of the isolated rat heart induces a positive inotropic effect, with cardiac arrhythmia such as extrasystolic potentiation or cardiac contractures, depending on the dose. The last effect is similar to the "stone heart" observed in reperfusion injury and may be ascribed to lipoperoxidation (LPO) of the membrane lipids, to protein damage, to reduction of the ATP level, to enzymatic alterations and to cardioactive compounds liberated by LPO. These effects may result in calcium overload of the cardiac fibers and contracture ("stone heart"). Hearts from male Wistar rats (300-350 g) were perfused at 31oC with Tyrode, 0.2 mM trolox C, 256 mM H2O2 or trolox C + H2O2. Cardiac contractures (baseline elevation of the myograms obtained) were observed when hearts were perfused with H2O2 (Tyrode: 5.9 ± 3.2; H2O2: 60.5 ± 13.9% of the initial value); perfusion with H2O2 increased the LPO of rat heart homogenates measured by chemiluminescence (Tyrode: 3,199 ± 259; H2O2: 5,304 ± 133 cps mg protein-1 60 min-1), oxygen uptake (Tyrode: 0.44 ± 0.1; H2O2: 3.2 ± 0.8 nmol min-1 mg protein-1) and malonaldehyde (TBARS) formation (Tyrode: 0.12 ± 0; H2O2: 0.37 ± 0.1 nmol/ml). Previous perfusion with 0.2 mM trolox C reduced the LPO (chemiluminescence: 4,098 ± 531), oxygen uptake (0.51 ± 0) and TBARS (0.13 ± 0) but did not prevent the H2O2-induced contractures (33.3 ± 16%). ATP (Tyrode: 2.84 ± 0; H2O2: 0.57 ± 0) and glycogen levels (Tyrode: 0.46 ± 0; H2O2: 0.26 ± 0) were reduced by H2O2. Trolox did not prevent these effects (ATP: 0.84 ± 0 and glycogen: 0.27 ± 0). Trolox C is known to be more effective than a -tocopherol or g -tocopherol in reducing LPO though it lacks the phytol portion of vitamin E to be fixed to the cell membranes. Trolox C, unlike vitamin A, did not prevent the glycogen reduction induced by H2O2. Trolox C induced a positive chronotropic effect that resulted in higher energy consumption. The reduction of energy level seemed to be more important than LPO in the mechanism of H2O2-induced contracture

Cardiac and vascular effects of diltiazem, dobutamine and amrinone, drugs used after myocardial revascularization

Hemodynamic care during postoperative management of myocardial revascularization should include vasorelaxing drugs to insure adequate graft and coronary flow, and stimulation of stroke volume to maintain vascular perfusion pressure. We tested the cardiac (inotropic and lusitropic) and vascular (relaxant) effects of diltiazem (0.1 nM to 0.1 mM), dobutamine (10 µM to 10 mM) and amrinone (10 µM to 1 mM) on isolated rat atria and thoracic aorta, and also on isolated human saphenous vein (HSV) and human mammary artery (HMA). Dobutamine produced a maximal positive inotropic effect (+dF/dt max = 29 ± 7%) at its ED50 for aortic relaxation (88 ± 7 µM). Conversely, at their ED50 for aortic relaxation diltiazem depressed myocardial contractility and amrinone did not exhibit myocardial effects. In HSV and HMA contracted with 80 mM potassium, diltiazem and dobutamine (but not amrinone) had a vasorelaxant activity similar to that in rat aorta. Norepinephrine-contracted human vessels were significantly more sensitive than potassium-contracted vessels to the relaxant effect of amrinone (ED50 HMA = 15 ± 5 µM, ED50 HSV = 72 ± 31 µM, P < 0.05). We conclude that at concentrations still devoid of myocardial effects dobutamine and amrinone are effective dilators in graft segment vessels and rat aorta contracted by membrane depolarization. If the difference between aortic and myocardial tissue still holds in human tissues, at the appropriate concentrations these drugs should be expected to improve cardiac performance while still contributing to the maintenance of graft patency.

Effect of unsaturated fatty acids on myocardial performance, metabolism and morphology

Diets rich in saturated fatty acids are one of the most important causes of atherosclerosis in men, and have been replaced with diets rich in unsaturated fatty acids (UFA) for the prevention of this disorder. However, the effect of UFA on myocardial performance, metabolism and morphology has not been completely characterized. The objective of the present investigation was to evaluate the effects of a UFA-rich diet on cardiac muscle function, oxidative stress, and morphology. Sixty-day-old male Wistar rats were fed a control (N = 8) or a UFA-rich diet (N = 8) for 60 days. Myocardial performance was studied in isolated papillary muscle by isometric and isotonic contractions under basal conditions after calcium chloride (5.2 mM) and ß-adrenergic stimulation with 1.0 µM isoproterenol. Fragments of the left ventricle free wall were used to study oxidative stress and were analyzed by light microscopy, and the myocardial ultrastructure was examined in left ventricle papillary muscle. After 60 days the UFA-rich diet did not change myocardial function. However, it caused high lipid hydroperoxide (176 ± 5 vs 158 ± 5, P < 0.0005) and low catalase (7 ± 1 vs 9 ± 1, P < 0.005) and superoxide-dismutase (18 ± 2 vs 27 ± 5, P < 0.005) levels, and discrete morphological changes in UFA-rich diet hearts such as lipid deposits and mitochondrial membrane alterations compared to control rats. These data show that a UFA-rich diet caused myocardial oxidative stress and mild structural alterations, but did not change mechanical function.

Involvement of glutamate and reactive oxygen species in methylmercury neurotoxicity

This review addresses the mechanisms of methylmercury (MeHg)-induced neurotoxicity, specifically examining the role of oxidative stress in mediating neuronal damage. A number of critical findings point to a central role for astrocytes in mediating MeHg-induced neurotoxicity as evidenced by the following observations: a) MeHg preferentially accumulates in astrocytes; b) MeHg specifically inhibits glutamate uptake in astrocytes; c) neuronal dysfunction is secondary to disturbances in astrocytes. The generation of reactive oxygen species (ROS) by MeHg has been observed in various experimental paradigms. For example, MeHg enhances ROS formation both in vivo (rodent cerebellum) and in vitro (isolated rat brain synaptosomes), as well as in neuronal and mixed reaggregating cell cultures. Antioxidants, including selenocompounds, can rescue astrocytes from MeHg-induced cytotoxicity by reducing ROS formation. We emphasize that oxidative stress plays a significant role in mediating MeHg-induced neurotoxic damage with active involvement of the mitochondria in this process. Furthermore, we provide a mechanistic overview on oxidative stress induced by MeHg that is triggered by a series of molecular events such as activation of various kinases, stress proteins and other immediate early genes culminating in cell damage.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Rôles du stress du réticulum endoplasmique et de l'immunité innée dans l'inhibition de la transcription du gène de l'insuline : étude du facteur de transcription ATF6 et du récepteur TLR4

Le diabète de type 2 (DT2) est caractérisé par une résistance des tissus périphériques à l’action de l’insuline et par une insuffisance de la sécrétion d’insuline par les cellules β du pancréas. Différents facteurs tels que le stress du réticulum endoplasmique (RE) et l’immunité innée affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Toutefois, leur implication dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline demeure imprécise. Le but de cette thèse était d’identifier et de caractériser le rôle du stress du RE et de l’immunité innée dans la régulation de la transcription du gène de l’insuline. Les cellules β-pancréatiques ont un RE très développé, conséquence de leur fonction spécialisée de biosynthèse et de sécrétion d’insuline. Cette particularité les rend très susceptible au stress du RE qui se met en place lors de l’accumulation de protéines mal repliées dans la lumière du RE. Nous avons montré qu’ATF6 (de l’anglais, activating transcription factor 6), un facteur de transcription impliqué dans la réponse au stress du RE, lie directement la boîte A5 de la région promotrice du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans isolés de rat. Nous avons également montré que la surexpression de la forme active d’ATF6α, mais pas ATF6β, réprime l’activité du promoteur de l’insuline. Toutefois, la mutation ou l’absence de la boîte A5 ne préviennent pas l’inhibition de l’activité promotrice du gène de l’insuline par ATF6. Ces résultats montrent qu’ATF6 se lie directement au promoteur du gène de l’insuline, mais que cette liaison ne semble pas contribuer à son activité répressive. Il a été suggéré que le microbiome intestinal joue un rôle dans le développement du DT2. Les patients diabétiques présentent des concentrations plasmatiques élevées de lipopolysaccharides (LPS) qui affectent la fonction de la cellule β-pancréatique. Nous avons montré que l’exposition aux LPS entraîne une réduction de la transcription du gène de l’insuline dans les îlots de Langerhans de rats, de souris et humains. Cette répression du gène de l’insuline par les LPS est associée à une diminution des niveaux d’ARNms de gènes clés de la cellule β-pancréatique, soit PDX-1 (de l’anglais, pancreatic duodenal homeobox 1) et MafA (de l’anglais, mammalian homologue of avian MafA/L-Maf). En utilisant un modèle de souris déficientes pour le récepteur TLR4 (de l’anglais, Toll-like receptor), nous avons montré que les effets délétères des LPS sur l’expression du gène de l’insuline sollicitent le récepteur de TLR4. Nous avons également montré que l’inhibition de la voie NF-kB entraîne une restauration des niveaux messagers de l’insuline en réponse à une exposition aux LPS dans les îlots de Langerhans de rat. Ainsi, nos résultats montrent que les LPS inhibent le gène de l’insuline dans les cellules β-pancréatiques via un mécanisme moléculaire dépendant du récepteur TLR4 et de la voie NF-kB. Ces observations suggèrent ainsi un rôle pour le microbiome intestinal dans la fonction de la cellule β du pancréas. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la répression du gène de l'insuline en réponse aux divers changements survenant de façon précoce dans l’évolution du diabète de type 2 et d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles qui permettraient de prévenir ou ralentir la détérioration de l'homéostasie glycémique au cours de cette maladie, qui affecte plus de deux millions de Canadiens.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Rôle de l’enzyme PAS kinase dans la régulation du facteur de transcription PDX-1 dans la cellule bêta pancréatique.

Le diabète de type 2 (DT2) se caractérise par une production insuffisante d'insuline par le pancréas ainsi qu'une résistance des tissus périphériques à l'action de l'insuline. Dans les cellules bêta pancréatiques, le glucose stimule la production de l'insuline en induisant la transcription de son gène et la traduction ainsi que la sécrétion de sa protéine. Paradoxalement, une exposition prolongée et simultanée de ces cellules à de hautes concentrations de glucose en présence d'acides gras conduit à la détérioration de la fonction bêta pancréatique et au développement du DT2. Toutefois, les mécanismes moléculaires responsables de ces effets du glucose ne sont que partiellement connus. L'objectif du travail décrit dans cette thèse est d'identifier les mécanismes responsables de la régulation de la transcription du gène de l'insuline. PDX-1 (de l’anglais pour pancreatic and duodenal homeobox 1) est un facteur de transcription majeur et essentiel tant pour le développement du pancréas que pour le maintien de sa fonction à l'état adulte. En réponse au glucose, PDX-1 se lie au promoteur du gène de l'insuline et induit sa transcription. Ceci est inhibé par l'acide gras palmitate. Dans la première partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse, nous avons identifié deux mécanismes de régulation de la transcription du gène de l'insuline: le premier via ERK1/2 (de l'anglais pour extracellular-signal-regulated protein kinases 1 and 2) et le second par l’enzyme PASK (pour per-arnt-sim kinase). Nous avons également mis en évidence l'existence d'un troisième mécanisme impliquant l'inhibition de l'expression du facteur de transcription MafA par le palmitate. Nos travaux indiquent que la contribution de la signalisation via PASK est majeure. L'expression de PASK est augmentée par le glucose et inhibée par le palmitate. Sa surexpression dans les cellules MIN6 et les îlots isolés de rats, mime les effets du glucose sur l'expression du gène de l'insuline ainsi que sur l'expression de PDX-1 et prévient les effets délétères du palmitate. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons identifié un nouveau mécanisme par lequel PASK augmente la stabilité protéique de PDX-1, soit via la phosphorylation et l'inactivation de la protéine kinase GSK3 bêta (de l'anglais pour glycogen synthase kinase 3 beta). Le glucose induit la translocation de PDX-1 du cytoplasme vers le noyau, ce qui est essentiel à sa liaison au promoteur de ses gènes cibles. L'exclusion nucléaire de PDX-1 a été observée dans plusieurs modèles ex vivo et in vivo de dysfonction de la cellule bêta pancréatique. Dans le dernier volet de cette thèse, nous avons démontré l'importance de l'utilisation de cellules primaires (îlots isolés et dispersés) pour étudier la translocation nucléaire de PDX-1 endogène étant donné que ce mode de régulation est absent dans les lignées insulino-sécrétrices MIN6 et HIT-T15. Ces études nous ont permis d'identifier et de mieux comprendre les mécanismes régulant la transcription du gène de l'insuline via le facteur de transcription PDX-1. Les cibles moléculaires ainsi identifiées pourraient contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement du diabète de type 2. Mots-clés : Diabète, îlots de Langerhans, cellule bêta pancréatique, gène de l'insuline, PDX-1, PASK, GSK3 bêta, ERK1/2, PKB, glucose, palmitate.

Effet de la galanine sur le système nerveux cardiaque intrinsèque.‎

Les neurones cholinergiques et adrénergiques efférents du système nerveux cardiaque ‎intrinsèque (SNCI) sont impliqués dans la régulation de la fonction cardiaque chronotrope. ‎La galanine, peptide présent et libéré dans les terminaisons nerveuses cardiaques, est capable ‎de diminuer la libération de l’acétylcholine. Notre hypothèse est d’étudier la possibilité que ‎la galanine puisse agir comme un peptide neuromodulateur inhibiteur dans les neurones du ‎SNCI chez le rat. Les oreillettes et les tissus associés du SNCI sont isolés à partir de rats ‎Sprague-Dawley et perfusés en vitro. Les valeurs de la fréquence auriculaire mesurées d’un ‎battement à l’autre sont tirées à partir d’un enregistrement bipolaire auriculaire. La perfusion ‎de la nicotine en forme de bolus (avec des concentrations dans le bain de 20-250 µm) a ‎induit des réponses biphasiques composées d’une réponse chronotrope négative au début ‎suivie d’une réponse chronotrope positive. Au cours de la superfusion de la galanine ‎‎(170 nM), les réponses chronotropes positives à la nicotine sont réduites chez 12/14 ‎préparations (contrôle : 21,35 ± 17,4 à galanine : 5,46 ± 8,0 bpm, n = 14, p = 0,02), tandis que ‎les réponses chronotropes négatives sont réduites chez 8 /14 préparations et affichent une ‎tendance générale vers la réduction (contrôle : -16,09 ± 14,7, galanine : -12,53 ± 13,2 bpm). ‎On peut conclure que la galanine agit comme un peptide neuromodulateur inhibiteur dans les ‎SNCI chez le rat, en modifiant de préférence la stimulation nicotinique de neurones ‎adrénergiques.‎

Expressions and activities of cell cycle regulatory molecules during the transition from myocyte hyperplasia to hypertrophy

The role of cell cycle dependent molecules in controlling the switch from cardiac myocyte hyperplasia to hypertrophy remains unclear, although in the rat this process occurs between day 3 and 4 after birth. In this study we have determined (1) cell cycle profiles by fluorescence activated cell sorting (FACS); and (2) expressions, co-expressions and activities of a number of cyclins, cyclin-dependent kinases (CDKs) and CDK inhibitors by reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR), immunoblotting andin vitrokinase assays in freshly isolated rat cardiac myocytes obtained from 2, 3, 4 and 5-day-old animals. The percentage of myocytes found in the S phase of the cell cycle decreased significantly during the transition from hyperplasia to hypertrophy (5.5, 3.5, 2.3 and 1.9% of cells in 2-, 3-, 4- and 5-day-old myocytes, respectively,P<0.05), concomitant with a significant increase in the percentage of G0/G1phase cells. At the molecular level, the expressions and activities of G1/S and G2/M phase acting cyclins and CDKs were downregulated significantly during the transition from hyperplasia to hypertrophy, whereas the expressions and activities of G1phase acting cyclins and CDKs were upregulated significantly during this transition. In addition, p21CIP1- and p27KIP1- associated CDK kinase activities remained relatively constant when histone H1 was used as a substrate, whereas phosphorylation of the retinoblastoma protein was upregulated significantly during the transition from hyperplasia to hypertrophy. Thus, there is a progressive and significant G0/G1phase blockade during the transition from myocyte hyperplasia to hypertrophy. Whilst CDK2 and cdc2 may be pivotal in the withdrawal of cardiac myocytes from the cell cycle, CDK4 and CDK6 may be critical for maintaining hypertrophic growth of the myocyte during development.