Novel microtubule-targeting agents, pyrrolo-1,5-benzoxazepines, induce apoptosis in multi-drug-resistant cancer cells

PURPOSE: The development of multi-drug resistance (MDR) due to the expression of members of the ATP binding cassette (ABC) transporter family is a major obstacle in cancer treatment. The broad range of substrate specificities associated with these transporters leads to the efflux of many anti-cancer drugs from tumour cells. Therefore, the development of new chemotherapeutic agents that are not substrates of these transporters is important. We have recently demonstrated that some members of a novel series of pyrrolo-1,5-benzoxazepine (PBOX) compounds are microtubule-depolymerising agents that potently induce apoptosis in several cancer cell lines and impair growth of mouse breast tumours. The aim of this current study was to establish whether PBOXs were capable of inducing apoptosis in cancer cells expressing either P-glycoprotein or breast cancer resistance protein (BCRP), two of the main ABC transporters associated with MDR.

METHODS: We performed in vitro studies to assess the effects of PBOXs on cell proliferation, cell cycle and apoptosis in human cancer cell lines and their drug-resistant substrains expressing either P-glycoprotein or BCRP. In addition, we performed a preliminary molecular docking study to examine interactions between PBOXs and P-glycoprotein.

RESULTS: We established that three representative PBOXs, PBOX-6, -15 and -16 were capable of inducing apoptosis in drug-resistant HL60-MDR1 cells (expressing P-glycoprotein) and HL60-ABCG2 cells (expressing BCRP) with similar potencies as in parental human promyelocytic leukaemia HL60 cells. Likewise, resistance to PBOX-6 and -16 was not evident in P-glycoprotein-expressing A2780-ADR cells in comparison with parent human ovarian carcinoma A2780 cells. Finally, we deduced by molecular docking that PBOX-6 is not likely to form favourable interactions with the substrate binding site of P-glycoprotein.

CONCLUSION: Our results suggest that pro-apoptotic PBOX compounds may be potential candidates for the treatment of P-glycoprotein- or BCRP-associated MDR cancers.

Novel role of androgens in mitochondrial fission and apoptosis

Androgen and androgen receptors (AR) play critical roles in the proliferation of prostate cancer through transcriptional regulation of target genes. Here, we found that androgens upregulated the expression of dynamin-related protein 1 (Drp1), which is involved in the induction of mitochondrial fission, a common event in mitosis and apoptosis. Clinical tissue samples and various prostate cancer cell lines revealed a positive correlation between Drp1 and AR levels. Treatment of androgen-sensitive cells with an AR agonist, R1881, and antagonist, bicalutamide, showed that Drp1 is transcriptionally regulated by androgens, as confirmed by an AR ChIP-seq assay. Live imaging experiments using pAcGFP1-Mito stably transfected LNCaP (mito-green) cells revealed that androgen did not induce significant mitochondrial fission by itself, although Drp1 was upregulated. However, when treated with CGP37157 (CGP), an inhibitor of mitochondrial Ca²⁺ efflux, these cells exhibited mitochondrial fission, which was further enhanced by pretreatment with R1881, suggesting that androgen-induced Drp1 expression facilitated CGP-induced mitochondrial fission. This enhanced mitochondrial fission was correlated with increased apoptosis. Transfection with dominant-negative (DN-Drp1, K38A) rescued cells from increased apoptosis, confirming the role of androgen-induced Drp1 in the observed apoptosis with combination treatment. Furthermore, we found that CGP reduced the expression of Mfn1, a protein that promotes mitochondrial fusion, a process which opposes fission. We suggest that androgen-increased Drp1 enhanced mitochondrial fission leading to apoptosis. The present study shows a novel role for androgens in the regulation of mitochondrial morphology that could potentially be utilized in prostate cancer therapy.

Predicting axial velocity profiles within a diffusing marine propeller jet

A full understanding of the hydrodynamic processes within the jet produced by a manoeuvring ship’s propeller is essential in the development and maintenance of ports, docks and harbours. In this study the predominant axial velocity component of a diffusing propeller jet was studied. The flow fields formed by four propellers, each operating at four power levels (speeds of rotation), were investigated under bollard pull conditions within a large free surface tank using Laser Doppler Anemometry. Comparison were made to existing methodologies by which a prediction of the magnitudes of the axial velocity can be made, and where deficient modifications to the methodologies have been developed. The jets were found to produce a maximum axial velocity along the initial efflux plane at a location near the blade mid-span. The position and magnitude of the axial velocity was seen to decrease as the jet entrained more flow and transitioned from the zone of flow establishment into the zone of established flow.

Potential strategies for the eradication of multi-drug resistant Gram-negative bacterial infections

Antimicrobial resistance is one of the leading threats to society. The increasing burden of multidrug-resistant Gram-negative infection is particularly concerning as such bacteria are demonstrating resistance to nearly all currently licensed therapies. Various strategies have been hypothesized to treat multidrug-resistant Gram-negative infections including: targeting the Gram-negative outer membrane; neutralization of lipopolysaccharide; inhibition of bacterial efflux pumps and prevention of protein folding. Silver and silver nanoparticles, fusogenic liposomes and nanotubes are potential strategies for extending the activity of licensed, Gram-positive selective, antibiotics to Gram-negatives. This may serve as a strategy to fill the current void in pharmaceutical development in the short term. This review outlines the most promising strategies that could be implemented to solve the threat of multidrug-resistant Gram-negative infections

The role of hypoxia in the regulation of membrane transporters

ATP binding cassette (ABC) and solute carrier (SLC) transporters are responsible for the majority of the transcellular movement of various substrates, including drugs, among epithelial cells. Despite the well characterized regulation of influx (SLC) and efflux (ABC) transporters by endogenous mediators, such as inflammatory cytokines, little is known about how changes in oxygen levels may affect expression of these transporters. In this study we showed that the expression of SLC22A4, SLC22A5, SLC22A1, SLC02B1, SLC10A2, ABCC2 and ABCC3 transporters is upregulated by hypoxia in HT29 colon carcinoma cells, but not in HepG2 hepatocarcinoma cells. Moreover, OCTN1 (SLC22A4), OCT1 (SLC22A1) and OATP-B (SLC02B1) transporter expression is also induced by inflammatory cytokines but in a smaller extent than in hypoxia. Furthermore our experiments indicate that there is no cross talk between HIF-1 and NF-κB pathways in HT-29 cells, but these two pathways act simultaneously activating common genes, such as, some SLC and ABC transporters. Our preliminary results from studies with an in vivo murine model of colitis, suggest that HIF-1is stabilized and OCTN1 is strongly induced during severe inflammation, which can be relevant for a recovery from the inflammatory process. We have also been interested in the distribution of HIF-1α variants among different ethnic groups as well as their contribution for cancer risk. Thus, we have demonstrated that there is an ethnicity-related variation in the frequency of the C1772T (P582S) single nucleotide polymorphism (SNP) in the HIF-1α gene. Furthermore, we performed a case-control study in a breast cancer population and our results suggest that there is no association between this SNP or the rare G1790A (A588T) SNP and the incidence of breast cancer. Taken together, the results obtained in this study contribute to a better knowledge of drug influx and efflux during hypoxia and inflammation as well as to the understanding of the pharmacogenetic variability of the HIF-1.

Localization and regulation by GABA of anion transporter present in pollen grain protoplasts and tube of Arabidopsis thaliana

Tese de doutoramento, Biologia (Biologia do Desenvolvimento), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

Is GABA involved in regulating plant growth and development? /

Rapid and large accumulation of GABA (y-aminobutyric acid) in response to a number of plant stresses has been well documented. But the role(s) of GABA in plants is not well defined. In recent years, the possibility of GABA involvement in regulating plant growth and development has been raised. In the present study, this possibility was examined. First, to rapidly and accurately determine GABA levels in plant tissues, a spectrometric method for GABA determination was developed based on a commercially available enzyme Gabase. Seventy mM LaCb almost completely removed water-soluble pigments from plant tissues which greatly interfere with the absorbance reading at 340nm. Inactivation of GAD (glutamate decarboxylase) by immediately adding methanol to a frozen plant tissue powder was suggested to prevent GABA production during extraction. The recovery of GABA with this method was approximately 100%. Second, the relationship between GABA levels and hypocotyl elongation in soybean seedlings was analyzed using different approaches to regulate in vivo GABA levels and the elongation of hypocotyls. The following major observations were made. (1) Mechanical stimulation by stroking elevated GABA levels and concurrently induced a rapid and significant reduction in hypocotyl elongation. (2) External GABA was demonstrated to penetrate into the hypocotyls using '*C-GABA. Application of external GABA elevated in vivo GABA levels, but failed to inhibit hypocotyl elongation. (3) LaCla and blue light irradiation caused an inhibition in the elongation of dark-grown hypocotyls, whereas GABA levels were not significantly affected. (4) Ca^was suggested to be involved in the signal transduction pathway leading from mechanical stimulation to GABA production, as indicated by the ability of La'* to inhibit GABA production in stimulated hypocotyls. (5) Bicuculline, saclofen and baclofen (agonists and antagonists of GABA receptors in animals) had no effect on hypocotyl elongation. It might indicate that GABA-binding components which are structurally similar to animal GABA receptors and functionally capable of regulating plant growth may not exist in plants. Therefore, the conclusion was drawn that GABA alone is not sufficient to inhibit hypocotyl elongation. Third, chloride influx in isolated Asparagus cells was enhanced by lOmM GABA during a 3 hour incubation, but the effect was not specific for GABA. Chloride efflux was not influenced by GABA. Both influx and efflux of chloride were significantly inhibited by NPPB, a chloride channel blocker. These results suggest that GABA does not influence the activity of plant chloride channels.

Amino acid transport : the special case of a H/L-glutamate cotransport system in Asparagus sprengeri mesophyll cells /

The addition of L-Glutamate (L-GLU) and L-Hethionine ~ulfoximine (L-HSO) to mechanically isolated. photosynthetically competent, Asparagus sprengeri mesophyll cells ~u~pended in 1mM CaS04 cau~ed an immediate transient alkalinization of the cell su~pension medium in both the light and dark. The alkalinization response was specific and stereospecific as none of the L-isomers of the other 19 protein amino acids tested or D-GLU gave this response. Uptake of 14C-L-GLU was stimulated by the light. The addition of non-radioactive L-GLU. or L-GLU analogs together with 14C-L-GLU showed that only L-GLU and L-HSO stimulated alkalinization whilst inhibiting the uptake of 14C-L-GLU. Both the L-GLU dependent alkalinization and the upt~ke of 14C-L-GLU were stimulated when the external pH was decreased from 6.5 to 5.5. Increasing external K+ concentrations inhibited the uptake of 14C-L-GLU. Fusicoccin (FC) stimulated uptake. The L-GLU dependent alkalinization re~ponse exhibited monophasic saturation kinetics while the uptake of 14C-L-GLU exhibited biphasic saturation kinetics. In addition to a saturable component. the uptake kinetics also showed a linear component of uptake. Addition of L-GLU and L-MSO caused internal acidification of the cell as measured by a change in the distribution of 14C-DMO. There was no change in K+ efflux when L-GLU was added. A H+ to L-GLUinflux stoichiometry of 3:1 wa~ mea~ured at an external I.-GLU concentration of O.5mM and increased with increasing external 13 L-QLU concentration. Metabolism of L-GLU was detected manometrlcally by observing an increase in COa evolution upon the addition of L-QLU and by detection of i*C02 evolution upon the addition of »*C-L-GLU. »*C02 evolution was higher in the dark than in the light. The data are consistent with the operation of a H+/L-QLO cotransport system. The data also show that attempts to quantify the stoichlometry of the process were complicated by the metabolism of L-GLU.

Electrogenic proton/L-glutamate symport in isolated asparagus sprengeri mesophyll cell

Medium' alkaliniiation occurred -lipon the addition of L-Glu to mechanically isolated Asparagus sprenger-i mesophyll cells suspended in 1 mM CaS04. Alkalinization resulted from the coupled entry of H+ and L-Glu anion into the cells. This H+ IL-Glu symport did not stimulate K+ efflux. K+ efflux has been observed during H~ lamino acid symport in other systems. The stimulation of K+ efflux by proton coupled symport is regarded as an indicator of a plasma membrane depolarizing electrogenic symport process. H+ IL-Glu symport in Asparagus sprengerimesophyl1 cells was investigated to determine whether or not the process was electrogenic. The rate of uptake of 0.25 11M 3H-MTPP+ ( Methyltriphenylphosphonium, methyl-3H ) is a probe for monitoring changes in the membrane potential. 3HMTPP+ uptake was reduced by K+ or CCCP, agents known to depolarize the membrane potential. Uptake of 3H-MTPP+ was also inhibited by L-Glu but not by D-Glu. Conversely, 10 mM external MTPP+ inhibited the uptake of 14C-U-LGlu. Simultaneous measurements of the rates of 14C-U-L-Glu uptake and L-Glu dependent H+ influx showed that the molar stoichiometry of H+ IL-Glu symport was 2 to 1. K+ or Na+ stimulated H+ efflux was completely inhibited by DCCD, DES, oligomycin and antimycin reagents which inhibit ATP driven H+ efflux. The H+ efflux \Vas also stimulate.d by the weak acids, butyric acid and acetic acid, which are known fo-aCidify the cytoplasm. This weak acid stimulated H+ efflux was also completely inhibited by oligomycin. It was calculated that net L-Glu dependent H+ influx increased by 100% in the presence of oligomycin and that despite net medium alkalinization H+ IL-Glu symport stimulates ATP dependent H+ efflux. 11 The data presented in this study indicate that H+ IL-Glu symport is electrogenic. The data also show that ATP dependent Ht efflux rather than K+ efflux is the- process compensating for thi~ electrogenic H+ IL-Glu symport.

The production of 4-adminobutyrate in response to treatments reducing cytosolic pH and the regulation of intracellular pH

GABA (4-aminobutyrate) is synthesized through the decarboxylation of LGlu- (L-Glu-+ H+ ---> GABA + C02), and compared to many free amino acids is present in high concentrations in plant cells. GABA levels rise rapidly and dramatically in response to varied stress conditions including anaerobiosis. Recent papers suggest that GABA production and associated H+ consumption are parts of a metabolic pH-stat mechanism which ameliorates the intracellular pH decline associated with anaerobiosis or other treatments. To test this hypothesis GABA production and efflux have been measured in isolated Asparagus sprengeri cells in response to three treatments which potentially cause intracellular acidification. Acid loads were imposed using 60 min of (i) anaerobiosis, (ii) H+/LGlu- cotransport, and (iii) treatment with permeant weak acids (butyric, acetic and propionic). Both intra- and extracellular GABA concentrations increased more than 100% after anaerobiosis, almost 1000% after H+/L-Glu- cotransport (light or dark) and almost 5000/0 after addition of 5 mM butyric acid at pH 5.0. HPLC analysis of amino acids indicates that as GABA concentrations increased in response to butyric acid addition, glutamate concentrations decreased. Time-course studies demonstrated that added butyric acid stimulates GABA production by 2800/0 within 15 seconds. A fluorescent determination of cytosolic pH indicates that addition of butyric or other weak acids resulted in a rapid reduction in cytosolic pH of 0.6 pH units. The half time for the response to butyric acid addition is 2.1 seconds, indicating that the decline in cytosolic pH is rapid enough to account for the rapid stimulation of GABA production. The acid load in response to butyric acid addition was assayed by measurements of 14C-butyric acid uptake. Calculations indicate that GABA production accounted for 45% of the imposed acid load. The biological significance of GABA efflux is not yet understood. The results support the original hypothesis suggesting a role for GABA production in cellular pH regulation.

Statut des transporteurs du cholestérol au niveau de l'intestin et du foie dans le diabète de type 2

La résistance à l’insuline et le diabète de type 2 (DT2) sont caractérisés par une hyperlipidémie. Le but de cette étude est de déterminer si le DT2 contribue au dérèglement du métabolisme du cholestérol au niveau du petit intestin et du foie du Psammomys obesus, un modèle animal nutritionnel d’induction de la résistance à l’insuline et du DT2. L’absorption intestinale du cholestérol est diminuée chez les animaux diabétiques. Cette diminution est associée à une baisse (i) de l’expression génique et protéique de NPC1-L1 qui joue un rôle primordial dans l’absorption du cholestérol au niveau des entérocytes; et (ii) de l’ARNm de l’ABCA1 responsable de l’efflux de cholestérol des cellules intestinales à l’apolipoprotéine A-I et aux HDLs. En ce qui a trait aux transporteurs SR-B1 et Annexin II, aucune différence n’a été observée au niveau intestinal. Toutefois, une diminution significative de l’expression génique de l’ABCG5, un intervenant majeur dans la sécrétion du cholestérol des entérocytes vers la lumière intestinale, est mesurée chez les animaux diabétiques. De plus, l’expression protéique est diminuée pour le PCSK9 et augmentée pour le LDLr au niveau du jéjunum, tandis que la quantité de protéine de l’enzyme HMG-CoA réductase est régulée à la baisse chez les Psammomys obesus diabétiques. Finalement, de tous les facteurs de transcription testés seule une augmentation de LXR et une diminution de PPAR/δ sont détectées au niveau de l’intestin. Au niveau hépatique, il y a (i) une augmentation de la masse protéique de NPC1-L1, SR-BI et Annexin II; (ii) une élévation l’ARNm de SR-BI; (iii) une diminution du contenu protéique de ABCG8 et de l’expression génique de l’ABCG5 et de l’ABCA1; et (iv) une élévation de l’ARNm de LXR et de PPAR/δ, tout comme une baisse de l’expression protéique de SREBP-2. Somme toute, nos résultats montrent que le développement du diabète de type 2 chez le Psammomys obesus entraîne un changement dans la machinerie intra-entérocytaire et hépatocytaire, qui mène à un dérèglement de l’homéostasie du cholestérol.

Caractérisation du co-transporteur Na+/myo-inositol SMIT2 dans les membranes en bordure en brosse de rein de lapin et d’intestin de rat

Le myo-inositol (MI) est un soluté organique impliqué dans diverses fonctions physiologiques de la cellule dont la signalisation cellulaire. Il est également un osmolyte compatible reconnu. Trois co-transporteurs de type actif secondaire responsables de son absorption ont été identifiés. Deux d’entre eux sont couplés au transport du sodium (SMIT1 et SMIT2) et le troisième est couplé au transport de protons (HMIT). L’objectif de cette étude a été la caractérisation du transport du MI par SMIT2 dans des membranes en bordure en brosse (BBMv) issues du rein de lapin et de l’intestin de rat ainsi qu’après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis. La quantification de l’ARNm de SMIT1 et de SMIT2 dans le rein nous a appris que SMIT1 est majoritairement présent dans la médullaire alors que SMIT2 est principalement localisé dans le cortex. Ces résultats ont été confirmés par immunobuvardage en utilisant un anticorps dirigé contre SMIT2. Grâce à l’inhibition sélective de SMIT1 par le L-Fucose et de SMIT2 par le D-chiro-inositol (DCI), nous avons démontré que SMIT2 semble le seul responsable du transport luminal de MI dans le tubule contourné proximal avec un Km de 57 ± 14 µM. Pour ce qui est de l’intestin, des études de transport de MI radioactif ont démontré une absence de transport de MI chez le lapin alors que l’intestin de rat présente un transport de MI très actif. Une quantification par qRT-PCR nous a permis de constater que l’intestin de lapin ne semble pas posséder les transporteurs de MI nécessaires. Comme pour le rein, SMIT2 semble le seul transporteur de MI présent au niveau du pôle apical des entérocytes intestinaux chez le rat. Il est chargé du prélèvement du MI de l'alimentation avec un Km de 150 ± 40 µM. Les analyses fonctionnelles exécutées sur SMIT2 de rat en électrophysiologie après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis donnent sensiblement les mêmes résultats que pour les BBMv de rein de lapin et d’intestin de rat. Dans les ovocytes, SMIT2 présente une grande affinité pour le MI (270 ± 19 µM) et le DCI (310 ± 60 µM) et aucune affinité pour le L-fucose. Il est ii également très sensible à la phlorizine (16 ± 7 µM). Une seule exception persiste : la constante d’affinité pour le glucose dans les BBMv d’intestin de rat est 40 fois plus petite que celle observée sur les ovocytes de Xenopus laevis. Nous avons également testé la capacité de certains transporteurs de sucre présents à la surface des membranes apicales des entérocytes à prélever le MI. Vu que l'inhibition de ces transporteurs (SGLT1 et GLUT5) ne changeait rien au taux de MI radioactif transporté, nous en avons conclu qu'ils ne sont pas impliqués dans son transport. Finalement, l’efflux de MI à partir du pôle basolatéral des entérocytes n’est pas effectué par GLUT2 puisque ce dernier lorsqu'il est exprimé dans des ovocytes, est incapable de transporter le MI.

Les transporteurs sélectifs de cholestérol SR-BI, SR-BII, CD36 et ABCA1 contribuent au maintien de l’homéostasie du cholestérol intratesticulaire

Le testicule assure la production des spermatozoïdes et la sécrétion de la testostérone. Chaque fonction est assumée par un compartiment cellulaire distinct: l’épithélium séminifère et le tissu interstitiel. Le cholestérol, présent dans les deux compartiments, est un composé indispensable aux membranes cellulaires et un précurseur essentiel de la testostérone. Dans le compartiment interstitiel, environ 40 % du cholestérol utilisé pour la production hormonale est importé du sang à partir des lipoprotéines HDL et/ou LDL. Dans l’épithélium séminifère, la cellule de Sertoli assure le contrôle et le maintien de la spermatogenèse. Elle a la capacité de synthétiser du cholestérol à partir de l’acétate in vitro, néanmoins, il n’y a pas d’évidence qu’elle le fait in vivo. De plus il existe, au niveau des tubules séminifères, une barrière hémato-testiculaire qui empêche le libre passage de plusieurs composés sanguins, y compris le cholestérol. Nous avons testé l’hypothèse qu’il existe des moyens d’importation du cholestérol sanguin, mais aussi l’exportation du cholestérol intra-tissulaire, qui contourneraient cette barrière et qui contribueraient au maintien du taux intratubulaire du cholestérol compatible avec le bon déroulement de la spermatogenèse. Nous avons comparé les taux de variation de l’expression de l’ARNm et de la protéine des transporteurs sélectifs de cholestérol SR-BI, SR-BII, CD36 et ABCA1 aux taux de variation du cholestérol libre et estérifié au cours de la spermatogenèse chez les souris normales durant le développement postnatal. Afin de mieux apprécier le niveau d’implication de chacun de ces récepteurs, nous avons examiné comment la suppression du gène d’une enzyme comme la lypase hormono-sensible (HSL) ou de celui d’un transporteur de cholestérol comme SR-BI, CD36 ou NPC1 était compensée et comment cette suppression affectait le taux de cholestérol libre et estérifié dans chacun des deux compartiments cellulaires du testicule. Nous avons dans un premier temps mis au point une nouvelle technique d’isolation des testicules en fraction enrichie en tissu interstitiel (ITf) et en tubules séminifères (STf) qui a l’avantage de mieux préserver l’intégrité des formes phosphorylées et glycosylées des protéines comparée aux techniques préexistantes. Les résultats de nos analyses ont montré que l’expression de SR-BI et CD36 étaient maximales dans les ITf au moment où les souris ont complété leur maturité sexuelle et où le niveau de synthèse de la testostérone était maximal. Dans les tubules séminifères, l’expression maximale de SR-BI et le taux le plus élevé de cholestérol estérifié étaient mesurés de façon concomitante à 35 jours après la naissance, au moment où la première vague de l’activité spermatogénétique était complétée. L’expression de l’ABCA1 était maximale au moment où le taux de cholestérol était élevé et minimale au moment où le taux de cholestérol était le plus bas, alors que le niveau d’expression de CD36 était maximal chez l’adulte au moment où le taux de spermiation était le plus élevé. L’expression de SR-BII variait peu dans les deux compartiments cellulaires durant le développement. La suppression génétique de la HSL et de NPC1, qui cause une infertilité chez les souris mâles, était accompagnée d’une accumulation de cholestérol libre et estérifié dans les tubules séminifères. Par contre, la suppression génétique de SR-BI et CD36, qui ne causent pas d’infertilité chez les souris mâles était sans impact significatif sur le taux de cholestérol intratubulaire. Nous avons montré que l’invalidation génétique d’un transporteur sélectif ou d’une enzyme du métabolisme du cholestérol était accompagnée d’un ensemble de mécanismes de compensation visant à maintenir le taux de cholestérol libre aux niveaux semblables à ceux mesurés dans les fractions tissulaires de souris normales. Ensemble, nos résultats ont montré que l’expression des transporteurs sélectifs de cholestérol SR-BI, SR-BII, CD36 et ABCA1 variait en fonction de la spermatogenèse et du taux intratesticulaire du cholestérol suggérant leur contribution au maintien de l’homéostasie du cholestérol intratesticulaire.

Regulation of HMG-CoA reductase, HSL and ACAT expression and activity in testicular cholesterol metabolism in mink and in mouse following experimental genetic deletion

Introduction: L'homéostasie du cholestérol est indispensable à la synthèse de la testostérone dans le tissu interstitiel et la production de gamètes mâles fertiles dans les tubules séminifères. Les facteurs enzymatiques contribuent au maintien de cet équilibre intracellulaire du cholestérol. L'absence d'un ou de plusieurs enzymes telles que la HMG-CoA réductase, la HSL et l'ACAT-1 a été associée à l'infertilité masculine. Toutefois, les facteurs enzymatiques qui contribuent au maintien de l'équilibre intra-tissulaire du cholestérol n'ont pas été étudiés. Cette étude a pour but de tester l'hypothèse que le maintien des taux de cholestérol compatibles avec la spermatogenèse nécessite une coordination de la fonction intracellulaire des enzymes HMG-CoA réductase, ACAT1 et ACAT2 et la HSL. Méthodes: Nous avons analysé l'expression de l’ARNm et de la protéine de ces enzymes dans les fractions enrichies en tubules séminifères (STf) de vison durant le développement postnatal et le cycle reproductif annuel et dans les fractions enrichies en tissu interstitiel (ITf) et de STf durant le développement postnatal chez la souris. Nous avons développé deux nouvelles techniques pour la mesure de l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de celle de l'ACAT1 et ACAT2. En outre, l'immunohistochimie a été utilisée pour localiser les enzymes dans le testicule. Enfin, les souris génétiquement déficientes en HSL, en SR-BI et en CD36 ont été utilisées pour élucider la contribution de la HMG-CoA réductase, l'ACAT1 et l'ACAT2 et la HSL à l'homéostasie du cholestérol. Résultats: 1) HMG-CoA réductase: (Vison) La variation du taux d’expression de l’ARNm de la HMG-CoA réductase était corrélée à celle de l'isoforme de 90 kDa de la protéine HMG-CoA réductase durant le développement postnatal et chez l'adulte durant le cycle reproductif saisonnier. L'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase augmentait de façon concomitante avec le taux protéinique pour atteindre son niveau le plus élevé à 240 jours (3.6411e-7 mol/min/μg de protéines) au cours du développement et en Février (1.2132e-6 mol/min/μg de protéines) durant le cycle reproductif chez l’adulte. (Souris), Les niveaux d'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase étaient maximales à 42 jours. A l'opposé, le taux protéinique diminuait au cours du développement. 2) HSL: (Vison), l'expression de la protéine de 90 kDa de la HSL était élevée à 180- et 240 jours après la naissance, ainsi qu'en Janvier durant le cycle saisonnier chez l'adulte. L'activité enzymatique de la HSL augmentait durant le développement pour atteindre un pic à 270 jours (36,45 nM/min/μg). Chez l'adulte, l'activité enzymatique de la HSL était maximale en Février. (Souris) Le niveau d’expression de l'ARNm de la HSL augmentait significativement à 21-, 28- et 35 jours après la naissance concomitamment avec le taux d'expression protéinique. L'activité enzymatique de la HSL était maximale à 42 jours suivie d'une baisse significative chez l'adulte. 3) ACAT-1 et ACAT-2: Le présent rapport est le premier à identifier l’expression de l'ACAT-1 et de l'ACAT-2 dans les STf de visons et de souris. (Vison) L'activité enzymatique de l'ACAT-2 était maximale à la complétion du développement à 270 jour (1190.00 CPMB/200 μg de protéines) et en janvier (2643 CPMB/200 μg de protéines) chez l'adulte. En revanche, l'activité enzymatique de l'ACAT-1 piquait à 90 jours et en août respectivement durant le développement et chez l'adulte. (Souris) Les niveaux d'expression de l'ARNm et la protéine de l'ACAT-1 diminuait au cours du développement. Le taux de l'ARNm de l'ACAT-2, à l’opposé du taux protéinique, augmentait au cours du développement. L'activité enzymatique de l'ACAT-1 diminuait au cours du développement tandis que celle de l'ACAT-2 augmentait pour atteindre son niveau maximal à 42 jours. 4) Souris HSL-/ -: Le taux d’expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase diminuaient significativement dans les STf de souris HSL-/- comparés aux souris HSL+/+. Par contre, les taux de l'ARNm et les niveaux des activités enzymatiques de l'ACAT-1 et de l'ACAT-2 étaient significativement plus élevés dans les STf de souris HSL-/- comparés aux souris HSL+/+ 5) Souris SR-BI-/-: L'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de l'ACAT-1 étaient plus basses dans les STf de souris SR-BI-/- comparées aux souris SR-BI+/+. A l'opposé, le taux d'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HSL étaient augmentées chez les souris SR-BI-/- comparées aux souris SR-BI+/+. 6) Souris CD36-/-: L'expression de l'ARNm et l'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de l'ACAT-2 étaient significativement plus faibles tandis que celles de la HSL et de l'ACAT-1 étaient inchangées dans les STf de souris CD36-/- comparées aux souris CD36+/+. Conclusion: Nos résultats suggèrent que: 1) L'activité enzymatique de la HMG-CoA réductase et de la HSL sont associées à l'activité spermatogénétique et que ces activités ne seraient pas régulées au niveau transcriptionnel. 2) L'ACAT-1 et de l'ACAT-2 sont exprimées dans des cellules différentes au sein des tubules séminifères, suggérant des fonctions distinctes pour ces deux isoformes: l'estérification du cholestérol libre dans les cellules germinales pour l'ACAT-1 et l'efflux du cholestérol en excès dans les cellules de Sertoli au cours de la spermatogenèse pour l'ACAT-2. 3) La suppression génétique de la HSL diminuait la HMG-CoA réductase et augmentait les deux isoformes de l'ACAT, suggérant que ces enzymes jouent un rôle critique dans le métabolisme du cholestérol intratubulaire. 4) La suppression génétique des transporteurs sélectifs de cholestérol SR-BI et CD36 affecte l'expression (ARNm et protéine) et l'activité des enzymes HMG-CoA réductase, HSL, ACAT-1 et ACAT-2, suggérant l'existence d’un effet compensatoire entre facteurs enzymatiques et non-enzymatiques du métabolisme du cholestérol dans les fractions tubulaires. Ensemble, les résultats de notre étude suggèrent que les enzymes impliquées dans la régulation du cholestérol intratubulaire agissent de concert avec les transporteurs sélectifs de cholestérol dans le but de maintenir l'homéostasie du cholestérol intra-tissulaire du testicule.

Identification des réseaux transcriptionnnels de résistance aux antifongiques chez Candida albicans

Plusieurs souches cliniques de Candida albicans résistantes aux médicaments antifongiques azolés surexpriment des gènes encodant des effecteurs de la résistance appartenant à deux classes fonctionnelles : i) des transporteurs expulsant les azoles, CDR1, CDR2 et MDR1 et ii) la cible des azoles 14-lanostérol déméthylase encodée par ERG11. La surexpression de ces gènes est due à la sélection de mutations activatrices dans des facteurs de transcription à doigts de zinc de la famille zinc cluster (Zn2Cys6) qui contrôlent leur expression : Tac1p (Transcriptional activator of CDR genes 1) contrôlant l’expression de CDR1 et CDR2, Mrr1p (Multidrug resistance regulator 1), régulant celle de MDR1 et Upc2p (Uptake control 2), contrôlant celle d’ERG11. Un autre effecteur de la résistance clinique aux azoles est PDR16, encodant une transférase de phospholipides, dont la surexpression accompagne souvent celle de CDR1 et CDR2, suggérant que les trois gènes appartiennent au même régulon, potentiellement celui de Tac1p. De plus, la régulation transcriptionnelle du gène MDR1 ne dépend pas seulement de Mrr1p, mais aussi du facteur de transcription de la famille basic-leucine zipper Cap1p (Candida activator protein 1), un régulateur majeur de la réponse au stress oxydatif chez C. albicans qui, lorsque muté, induit une surexpression constitutive de MDR1 conférant la résistance aux azoles. Ces observations suggèrent qu’un réseau de régulation transcriptionnelle complexe contrôle le processus de résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans. L’objectif de mon projet au doctorat était d’identifier les cibles transcriptionnelles directes des facteurs de transcription Tac1p, Upc2p et Cap1p, en me servant d’approches génétiques et de génomique fonctionnelle, afin de i) caractériser leur réseau transcriptionnel et les modules transcriptionnels qui sont sous leur contrôle direct, et ii) d’inférer leurs fonctions biologiques et ainsi mieux comprendre leur rôle dans la résistance aux azoles. Dans un premier volet, j’ai démontré, par des expériences de génétique, que Tac1p contrôle non seulement la surexpression de CDR1 et CDR2 mais aussi celle de PDR16. Mes résultats ont identifié une nouvelle mutation activatrice de Tac1p (N972D) et ont révélé la participation d’un autre régulateur dans le contrôle transcriptionnel de CDR1 et PDR16 dont l’identité est encore inconnue. Une combinaison d’expériences de transcriptomique et d’immunoprécipitation de la chromatine couplée à l’hybridation sur des biopuces à ADN (ChIP-chip) m’a permis d’identifier plusieurs gènes dont l’expression est contrôlée in vivo et directement par Tac1p (PDR16, CDR1, CDR2, ERG2, autres), Upc2p (ERG11, ERG2, MDR1, CDR1, autres) et Cap1p (MDR1, GCY1, GLR1, autres). Ces expériences ont révélé qu’Upc2p ne contrôle pas seulement l’expression d’ERG11, mais aussi celle de MDR1 et CDR1. Plusieurs nouvelles propriétés fonctionnelles de ces régulateurs ont été caractérisées, notamment la liaison in vivo de Tac1p aux promoteurs de ses cibles de façon constitutive et indépendamment de son état d’activation, et la liaison de Cap1p non seulement à la région du promoteur de ses cibles, mais aussi celle couvrant le cadre de lecture ouvert et le terminateur transcriptionnel putatif, suggérant une interaction physique avec la machinerie de la transcription. La caractérisation du réseau transcriptionnel a révélé une interaction fonctionnnelle entre ces différents facteurs, notamment Cap1p et Mrr1p, et a permis d’inférer des fonctions biologiques potentielles pour Tac1p (trafic et la mobilisation des lipides, réponse au stress oxydatif et osmotique) et confirmer ou proposer d’autres fonctions pour Upc2p (métabolisme des stérols) et Cap1p (réponse au stress oxydatif, métabolisme des sources d’azote, transport des phospholipides). Mes études suggèrent que la résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans est intimement liée au métabolisme des lipides membranaires et à la réponse au stress oxydatif.