Regulation of erythropoietin gene expression depends on two different oxygen-sensing mechanisms

Erythropoietin (Epo), a glycoprotein hormone produced principally in the fetal kidney and in the adult liver in response to hypoxia, is the prime regulator of growth and differentiation in erythroid progenitor cells. The regulation of Epo gene expression is not fully understood, but two mechanisms have been proposed. One involves the participation of a heme protein capable of reversible oxygenation and the other depends on the intracellular concentration of reactive oxygen species (ROS), assumed to be a function of pO2. We have investigated the production of Epo in response to three stimuli, hypoxia, cobalt chloride, and the iron chelator desferrioxamine, in Hep3B cells. As expected, hypoxia caused a marked rise in Epo production. When the cells were exposed to the paired stimuli of hypoxia and cobalt no further increase was found. In contrast, chelation of iron under hypoxic conditions markedly enhanced Epo production, suggesting that the two stimuli act by separate pathways. The addition of carbon monoxide inhibited hypoxia-induced Epo production, independent of desferrioxamine concentration. Taken together these data support the concept that pO2 and ROS are sensed independently.

Erythropoietin production:evidence for multiple oxygen sensing pathways

The production of erythropoietin (Epo), the glycoprotein hormone which controls red blood cell formation, is regulated by feedback mechanisms sensing tissue oxygenation. The mechanism of the putative oxygen sensor has yet to be elucidated. There is evidence that at least two pathways participate in hypoxia signal transduction. One appears to involve a specific haem protein, and a second implicates reactive oxygen species (ROS). Iron catalyses the generation of intracellular ROS and therefore alters the cellular redox state. We have investigated the effect of modulating intracellular iron content on Epo production in Hep 3B cells. Iron chelation stimulates Epo production at 20% O2 and enhances Epo production at 1% O2, but it has no additive effect on cobalt-induced Epo production. Excess molar iron inhibited Epo production in response to hypoxia, desferrioxamine (DFO) and cobalt chloride and inhibited the DFO-enhancing effect of hypoxia-induced Epo production. We found that sulphydryl oxidising agents exert a differential inhibitory effect on hypoxia-induced versus DFO-induced Epo production, providing further evidence that multiple pathways of oxygen sensing exist.

Pigment epithelium-derived factor mitigates inflammation and oxidative stress in retinal pericytes exposed to oxidized low-density lipoprotein

Oxidized and/or glycated low-density lipoprotein (LDL) may mediate capillary injury in diabetic retinopathy. The mechanisms may involve pro-inflammatory and pro-oxidant effects on retinal capillary pericytes. In this study, these effects, and the protective effects of pigment epithelium-derived factor (PEDF), were defined in a primary human pericyte model. Human retinal pericytes were exposed to 100 microg/ml native LDL (N-LDL) or heavily oxidized glycated LDL (HOG-LDL) with or without PEDF at 10-160 nM for 24 h. To assess pro-inflammatory effects, monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) secretion was measured by ELISA, and nuclear factor-kappaB (NF-kappaB) activation was detected by immunocytochemistry. Oxidative stress was determined by measuring intracellular reactive oxygen species (ROS), peroxynitrite (ONOO(-)) formation, inducible nitric oxide synthase (iNOS) expression, and nitric oxide (NO) production. The results showed that MCP-1 was significantly increased by HOG-LDL, and the effect was attenuated by PEDF in a dose-dependent manner. PEDF also attenuated the HOG-LDL-induced NF-kappaB activation, suggesting that the inhibitory effect of PEDF on MCP-1 was at least partially through the blockade of NF-kappaB activation. Further studies demonstrated that HOG-LDL, but not N-LDL, significantly increased ONOO(-) formation, NO production, and iNOS expression. These changes were also alleviated by PEDF. Moreover, PEDF significantly ameliorated HOG-LDL-induced ROS generation through up-regulation of superoxide dismutase 1 expression. Taken together, these results demonstrate pro-inflammatory and pro-oxidant effects of HOG-LDL on retinal pericytes, which were effectively ameliorated by PEDF. Suppressing MCP-1 production and thus inhibiting macrophage recruitment may represent a new mechanism for the salutary effect of PEDF in diabetic retinopathy and warrants more studies in future.

Atmospheric pressure, nonthermal plasma inactivation of MS2 bacteriophage: effect of oxygen concentration on virucidal activity

AimsThe main aim of this study was to determine the virucidal inactivation efficacy of an in-house-designed atmospheric pressure, nonthermal plasma jet operated at varying helium/oxygen feed gas concentrations against MS2 bacteriophage, widely employed as a convenient surrogate for human norovirus.

Methods and ResultsThe effect of variation of percentage oxygen concentration in the helium (He) carrier gas was studied and found to positively correlate with MS2 inactivation rate, indicating a role for reactive oxygen species (ROS) in viral inactivation. The inactivation rate constant increased with increasing oxygen concentrations up to 075% O-2. 3 log(10) (999%) reductions in MS2 viability were achieved after 3min of exposure to the plasma source operated in a helium/oxygen (9925%:075%) gas mixture, with >7 log(10) reduction after 9min exposure.

ConclusionsAtmospheric pressure, nonthermal plasmas may have utility in the rapid disinfection of virally contaminated surfaces for infection control applications.

Significance and Impact of StudyThe atmospheric pressure, nonthermal plasma jet employed in this study exhibits rapid virucidal activity against a norovirus surrogate virus, the MS2 bacteriophage, which is superior to previously published inactivation rates for chemical disinfectants.

Current therapeutic strategies to mitigate the eNOS dysfunction in ischaemic stroke

Impairment of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) activity is implicated in the pathogenesis of endothelial dysfunction in many diseases including ischaemic stroke. The modulation of eNOS during and/or following ischaemic injury often represents a futile compensatory mechanism due to a significant decrease in nitric oxide (NO) bioavailability coupled with dramatic increases in the levels of reactive oxygen species that further neutralise NO. However, applications of a number of therapeutic agents alone or in combination have been shown to augment eNOS activity under a variety of pathological conditions by potentiating the expression and/or activity of Akt/eNOS/NO pathway components. The list of these therapeutic agents include NO donors, statins, angiotensin-converting enzyme inhibitors, calcium channel blockers, phosphodiesterase-3 inhibitors, aspirin, dipyridamole and ellagic acid. While most of these compounds exhibit anti-platelet properties and are able to up-regulate eNOS expression in endothelial cells and platelets, others suppress eNOS uncoupling and tetrahydrobiopterin (an eNOS stabiliser) oxidation. As the number of therapeutic molecules that modulate the expression and activity of eNOS increases, further detailed research is required to reveal their mode of action in preventing and/or reversing the endothelial dysfunction.

Plasmid DNA damage following exposure to atmospheric pressure non-thermal plasma: kinetics and influence of oxygen admixture

The nature and kinetics of plasmid DNA damage after DNA exposure to a kHz-driven atmospheric pressure nonthermal plasma jet has been investigated. Both single-strand break (SSB) and double-strand break (DSB) processes are reported here. While SSB had a higher rate constant, DSB is recognized to be more significant in living systems, often resulting in loss of viability. In a helium-operated plasma jet, adding oxygen to the feed gas resulted in higher rates of DNA DSB, which increased linearly with increasing oxygen content, up to an optimum level of 0.75% oxygen, after which the DSB rate decreased slightly, indicating an essential role for reactive oxygen species in the rapid degradation of DNA.

Endothelial Function in Hypertension: Victim or Culprit?

Far from simply lining the inner surface of blood vessels, the cellular monolayer that comprises the endothelium is a highly active organ that regulates vascular tone. In health, the endothelium maintains the balance between opposing dilator and constrictor influences, while in disease, it is the common ground on which cardiovascular risk factors act to initiate the atherosclerotic process. As such, it is the site at which cardiovascular disease begins and consequently acts as a barometer of an individual's likely future cardiovascular health. The vascular endothelium is a very active organ responsible for the regulation of vascular tone through the effects of locally synthesized mediators, predominantly nitric oxide (NO), endothelial NO synthase (eNOS), and superoxide. NO is abundantly evident in normally functioning vasculature where it acts as a vasodilator, inhibits inflammation, and has an antiaggregant effect on platelets. Its depletion is both a sign and cause of endothelial dysfunction resulting from reduced activity of eNOS and amplified production of nicotinamide adenine dinucleotide oxidase, which, in turn, results in raised levels of reactive oxygen species. This cascade is the basis for reduced vascular compliance through an imbalanced regulation of tone with a predominance of vasoconstrictive elements. Further, structural changes in the microvasculature are a critical early step in the loss of normal function. This microvascular dysfunction is known to be highly predictive of future macrovascular events and is consequently a very attractive target for intervention in the hypertensive population in order to prevent cardiovascular events.

Beneficial Effects of Berberine on Oxidized LDL-induced Cytotoxicity in Human Retinal Müller Cells

PURPOSE. Limited mechanistic understanding of diabetic retinopathy (DR) has hindered therapeutic advances. Berberine, an isoquinolone alkaloid, has shown favorable effects on glucose and lipid metabolism in animal and human studies, but effects on DR are unknown. We previously demonstrated intraretinal extravasation and modification of LDL in human diabetes, and toxicity of modified LDL to human retinal M¨uller cells. We now explore pathogenic effects of modified LDL on M¨uller cells, and the efficacy of berberine in mitigating this cytotoxicity. METHODS. Confluent human M¨uller cells were exposed to in vitro–modified ‘highly oxidized, glycated (HOG-) LDL versus native-LDL (N-LDL; 200 mg protein/L) for 6 or 24 hours, with/ without pretreatment with berberine (5 lM, 1 hour) and/or the adenosine monophosphate (AMP)-activated protein kinase (AMPK) inhibitor, Compound C (5 lM, 1 hour). Using techniques including Western blots, reactive oxygen species (ROS) detection assay, and quantitative real-time PCR, the following outcomes were assessed: cell viability (CCK-8 assay), autophagy (LC3, Beclin-1, ATG-5), apoptosis (cleaved caspase 3, cleaved poly-ADP ribose polymerase), oxidative stress (ROS, nuclear factor erythroid 2-related factor 2, glutathione peroxidase 1, NADPH oxidase 4), angiogenesis (VEGF, pigment epithelium-derived factor), inflammation (inducible nitric oxide synthase, intercellular adhesion molecule 1, IL-6, IL-8, TNF-a), and glial cell activation (glial fibrillary acidic protein). RESULTS. Native-LDL had no effect on cultured human M¨uller cells, but HOG-LDL exhibited marked toxicity, significantly decreasing viability and inducing autophagy, apoptosis, oxidative stress, expression of angiogenic factors, inflammation, and glial cell activation. Berberine attenuated all the effects of HOG-LDL (all P < 0.05), and its effects were mitigated by AMPK inhibition (P < 0.05). CONCLUSIONS. Berberine inhibits modified LDL-induced M¨uller cell injury by activating the AMPK pathway, and merits further study as an agent for preventing and/or treating DR.

Mitochondrial uncoupling prevents cold-induced oxidative stress: a case study using UCP1 knockout mice.

The relationship between metabolism and reactive oxygen species (ROS) production by the mitochondria has often been (wrongly) viewed as straightforward, with increased metabolism leading to higher generation of pro-oxidants. Insights into mitochondrial functioning show that oxygen consumption is principally coupled with either energy conversion as ATP or as heat, depending on whether the ATP-synthase or the mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) is driving respiration. However, these two processes might greatly differ in terms of oxidative costs. We used a cold challenge to investigate the oxidative stress consequences of an increased metabolism achieved either by the activation of an uncoupled mechanism (i.e. UCP1 activity) in the brown adipose tissue (BAT) of wild-type mice or by ATP-dependent muscular shivering thermogenesis in mice deficient for UCP1. Although both mouse strains increased their metabolism by more than twofold when acclimatised for 4 weeks to moderate cold (12°C), only mice deficient for UCP1 suffered from elevated levels of oxidative stress. When exposed to cold, mice deficient for UCP1 showed an increase of 20.2% in plasmatic reactive oxygen metabolites, 81.8% in muscular oxidized glutathione and 47.1% in muscular protein carbonyls. In contrast, there was no evidence of elevated levels of oxidative stress in the plasma, muscles or BAT of wild-type mice exposed to cold despite a drastic increase in BAT activity. Our study demonstrates differing oxidative costs linked to the functioning of two highly metabolically active organs during thermogenesis, and advises careful consideration of mitochondrial functioning when investigating the links between metabolism and oxidative stress.

Specific targeting of pro-death NMDA receptor signals with differing reliance on the NR2B PDZ ligand.

NMDA receptors (NMDARs) mediate ischemic brain damage, for which interactions between the C termini of NR2 subunits and PDZ domain proteins within the NMDAR signaling complex (NSC) are emerging therapeutic targets. However, expression of NMDARs in a non-neuronal context, lacking many NSC components, can still induce cell death. Moreover, it is unclear whether targeting the NSC will impair NMDAR-dependent prosurvival and plasticity signaling. We show that the NMDAR can promote death signaling independently of the NR2 PDZ ligand, when expressed in non-neuronal cells lacking PSD-95 and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), key PDZ proteins that mediate neuronal NMDAR excitotoxicity. However, in a non-neuronal context, the NMDAR promotes cell death solely via c-Jun N-terminal protein kinase (JNK), whereas NMDAR-dependent cortical neuronal death is promoted by both JNK and p38. NMDAR-dependent pro-death signaling via p38 relies on neuronal context, although death signaling by JNK, triggered by mitochondrial reactive oxygen species production, does not. NMDAR-dependent p38 activation in neurons is triggered by submembranous Ca(2+), and is disrupted by NOS inhibitors and also a peptide mimicking the NR2B PDZ ligand (TAT-NR2B9c). TAT-NR2B9c reduced excitotoxic neuronal death and p38-mediated ischemic damage, without impairing an NMDAR-dependent plasticity model or prosurvival signaling to CREB or Akt. TAT-NR2B9c did not inhibit JNK activation, and synergized with JNK inhibitors to ameliorate severe excitotoxic neuronal loss in vitro and ischemic cortical damage in vivo. Thus, NMDAR-activated signals comprise pro-death pathways with differing requirements for PDZ protein interactions. These signals are amenable to selective inhibition, while sparing synaptic plasticity and prosurvival signaling.

Immunolocalization of glyoxysomal malate synthase from soybean cotyledons (Glycine max. L.)

Malate synthase (MS; EC 4.1.3.2), an enzyme specific to the glyoxylate cycle, was studied in cotyledons of dark-grown soybean (Glycine max L) seedlings with light and electron microscopy techniques. Immunogold localization confirmed biochemical evidence that MS from soybean is a glyoxysomal matrix enzyme.

Lifespan, body size and oxygen : aerobic metabolism and oxidative stress in cultured fibroblasts /

The allometric scaling relationship observed between metabolic rate (MR) and species body mass can be partially explained by differences in cellular MR (Porter & Brand, 1995). Here, I studied cultured cell lines derived from ten mammalian species to determine whether cells propagated in an identical environment exhibited MR scaling. Oxidative and anaerobic metabolic parameters did not scale significantly with donor body mass in cultured cells, indicating the absence of an intrinsic MR setpoint. The rate of oxygen delivery has been proposed to limit cellular metabolic rates in larger organisms (West et al., 2002). As such cells were cultured under a variety of physiologically relevant oxygen tensions to investigate the effect of oxygen on cellular metabolic rates. Exposure to higher medium oxygen tensions resulted in increased metabolic rates in all cells. Higher MRs have the potential to produce more reactive oxygen species (ROS) which could cause genomic instability and thus reduced lifespan. Longer-lived species are more resistant to oxidative stress (Kapahi et al, 1999), which may be due to greater antioxidant and/or DNA repair capacities. This hypothesis was addressed by culturing primary dermal fibroblasts from eight mammalian species ranging in maximum lifespan from 5 to 120 years. Only the antioxidant manganese superoxide dismutases (MnSOD) positively scaled with species lifespan (p<0.01). Oxidative damage to DNA is primarily repaired by the base excision repair (BER) pathway. BER enzyme activities showed either no correlation or as in the case of polymerase p correlated, negatively with donor species (p<0.01 ). Typically, mammalian cells are cultured in a 20% O2 (atmospheric) environment, which is several-fold higher than cells experience in vivo. Therefore, the secondary aim of this study was to determine the effect of culturing mammalian cells at a more physiological oxygen tension (3%) on BER, and antioxidant, enzyme activities. Consistently, standard culture conditions induce higher antioxidant and DNA ba.se excision repair activities than are present under a more physiological oxygen concentration. Therefore, standard culture conditions are inappropriate for studies of oxidative stress-induced activities and species differences in fibroblast DNA BER repair capacities may represent differences in ability to respond to oxidative stress. An interesting outcome firom this study was that some inherent cellular properties are maintained in culture (i.e. stress responses) while others are not (i.e. MR).

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Stress oxydatif cérébrovasculaire et rupture de la barrière hémato-encéphalique dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff expérimental

Le syndrome de Wernicke-Korsakoff (SWK) est un désordre neuropsychiatrique causé par la déficience en thiamine (DT). Dans la DT expérimentale comme dans le SWK, on observe une mort neuronale et des hémorragies dans certaines régions précises du diencéphale et du tronc cérébral. Les lésions diencéphaliques du SWK sont particulièrement sévères et entraînent souvent des séquelles amnésiques permanentes. Le lien entre la dysfonction métabolique induite par la DT et la mort neuronale n’est pas connu. Des rapports précédents ont démontré que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était altérée et ce, précédant l’apparition du dommage neuronal, suggérant un rôle critique de la dysfonction vasculaire. Les jonctions serrées (JS) interendothéliales, la base anatomique de la BHE, constituent un réseau moléculaire incluant l’occludin et les zonula occludens (ZOs). Cette thèse démontre une perte d’expression et une altération de la morphologie de ces protéines en relation avec la dysfonction de la BHE dans le thalamus de souris déficientes en thiamine, fournissant une explication pour la présence d’hémorragies. Le stress oxydatif peut entraîner des dommages directs aux protéines des JS et interférer avec leurs mécanismes de régulation. De plus, l’oxyde nitrique (NO) peut induire la métalloprotéinase matricielle-9 (MMP-9) impliquée dans la dégradation de ces protéines. L’endothélium vasculaire cérébral (EVC) semble être une source importante de NO dans la DT, l’expression de l’oxyde nitrique synthase endothéliale (eNOS) étant sélectivement induite dans les régions vulnérables. Le NO peut réagir avec les espèces réactives oxygénées et former du peroxynitrite, entraînant un stress oxydatif/nitrosatif endothélial. Les résultats présentés démontrent que la délétion du gène de eNOS prévient le stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, l’extravasation des immunoglobulins G (IgGs) et l’altération de l’occludin et des ZOs dans le thalamus de souris déficientes en thiamine. De plus, cette délétion prévient l’induction de l’expression de MMP-9 dans l’EVC. Des résultats similaires ont été obtenus avec l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Les mécanismes précis par lesquels les espèces réactives altèrent les protéines des JS sont inconnus. Caveolin-1, une composante majeure du caveolæ de l’EVC, est impliquée dans la régulation de l’expression des protéines des JS, et celle-ci est modulée par le stress oxydatif/nitrosatif; l’altération de l’expression de caveolin-1 a été récemment associée à la rupture de la BHE. Les résultats présentés démontrent que l’expression de caveolin-1 est sélectivement altérée dans l’EVC du thalamus de souris déficientes en thiamine, coïcidant avec la rupture de la BHE, et démontrent que la normalisation de l’expression de caveolin-1 par le NAC est associée avec l’atténuation du dommage à la BHE. Pris ensemble, ces résultats démontrent un rôle central du stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, particulièrement celui provenant de eNOS, dans l’altération des JS de la BHE via des dommages directs et via l’induction de MMP-9 et de caveolin-1. Cette rupture de la BHE contribue par conséquent à la mort neuronale dans le thalamus, puisque la prévention des altérations cérébrovasculaires par la délétion du gène de eNOS et le NAC atténue significativement la mort neuronale. L’administration précoce d’antioxydants en combinaison avec la thiamine devrait donc être une considération importante pour le traitement du SWK.

Étude de l’expression de « Bcl-2 modifying factor » (Bmf) et son implication dans la néphropathie diabétique

Objectif : Étudier les mécanismes apoptotiques impliqués dans la néphropathie diabétique en identifiant les gènes responsables de l’apoptose et activés par les espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules de tubules proximaux rénaux (RPTC) de différents modèles diabétiques. Méthodes : Une hybridation par puce à AND a été réalisée sur les ARN extraits à partir de RPTC de souris heterozygotes db/m+, db/db and db/db catalase (CAT)-transgénique (Tg) de 20 semaines. Des expériences de PCR en temps réel et d’immunohistochimie réalisées sur ces modèles et sur le modèle ou le diabète avait été induit par traitement au streptozotocin (STZ) ont permis de valider les gènes apoptotiques identifiés par puce à ADN. Des RPTC immortalisées de rat ont été utilisées pour montrer l’activité de ces gènes apoptotique et la régulation de leur expression. De plus, une étude additionnelle réalisée sur des sections rénales provenant de patients diabétiques et non diabétiques a démontré également une surexpression de ces gènes apoptotiques dans les IRPTC. Résultats: L’expression de Bcl-2-modifying factor (Bmf), une protéine apoptotique, semble augmentée dans les RPTC de souris db/db comparé aux souris contrôles db/m+, ou aux souris db/db CAT-tg. La surexpression de Bmf a également été identifiée dans les RPTC du modèle diabétique STZ. La normalisation de l’hyperglycémie chez ces souris par traitement à l’insuline semble normaliser également l’expression de Bmf. In vitro, la surexpression du cDNA de Bmf dans les RPTC promouvoit l’apoptose et augmente l’activité de caspase 3. La stimulation de RPTC de Rat avec le glucose élevé (25mM de D-glucose) semble augmenter l’expression de Bmf et le traitement de ces cellules avec la roténone, les Diphénylène iodonium, la catalase et l’apocynine semble renverser cette stimulation. L’inhibition de Bmf avec un siRNA semble réduire l’apoptose induite par le glucose élevé. L’expression de Bmf a également été démontrée dans les RPTC de patients diabétiques. Conclusion: Ces résultats ont démontré une surexpression de Bmf dans les RPTC de différents modèles diabétiques et suggèrent son potentiel rôle dans la régulation de l’apoptose et de l’atrophie tubulaire chez les diabétiques.