SYNTHESIS OF CYCLIC AZOBENZENE ANALOGUES FOR INCORPORATION INTO OLIGONUCLEOTIDES, PEPTIDES AND POLYMERS

(A) In recent years, considerable amount of effort has contributed towards enhancing our understanding of the new photoswitch, cyclic azobenzene, particularly from the theoretical point of view. However, the challenging part with this system was poor efficiency of its synthesis from 2,2’- dinitrodibenzyl and lack of effective methods for further modification which would be useful to incorporate this system into biomolecules as a photoswitch. We report the synthesis of cyclic azobenzene and analogues from 2,2’-dinitrodibenzyl, which would allow for further incorporation of this cyclic azobenzene into biomolecules. Reaction of 2,2’-dinitrodibenzyl with zinc metal powder in the presence of triethylammonium formate buffer (pH-9.5) gave a cyclic azoxybenzene, 11,12-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine-5-oxide. The latter compound was converted into cyclic azobenzene analogues (bromo-, chloro-, cyano-, and carboxyl) through subsequent transformations. The carboxylic acid analogue was reacted with D-threoninol to give the corresponding amide, which readily undergoes photo-isomerization upon illumination with light. Upon illumination with light at 400 nm, approximately 70% of cis- isomer of amide was isomerized to trans- isomer. It was observed that cis- to trans- isomerization reached the maximum steady state of light transmission after approximately 40 min, whereas the trans- to cis- isomerization approximately acquired in 2 h to regain full recovery of light transmission. Cyclic azobenzene phosphoramidite was synthesized from DMT-protected D-threoninol linked cyclic azobenzene. (B) In recent years, there has been considerable interest invested towards the synthesis of azobenzene analogues for incorporation into proteins. Among the many azobenzene analogues, the synthesis of bi-functional cyclic azobenzene analogues for the incorporation into proteins is relatively new. In this thesis, we report the synthesis of a cyclic azobenzene biscarboxylic acid from 4-(bromomethyl)benzonitrile. (C) Azobenzene has been widely used in the field of polymer science to study the surface morphology and surface properties of polymers. In this thesis, we report the incorporation of cyclic azobenzene into a commercial polymer 2- (hydroxyethyl)methacrylate. Samples collected after 24 h from the reaction solution showed approximately 9% of incorporation of cyclic azobenzene into polymer compared to samples collected after 10 h, which showed approximately 6% incorporation.

Synthesis of 3', 5'-cyclic diguanylic acid (c-di-GMP) analogues

In the past few years, interest in signaling networks involving 3ʹ, 5ʹ -cyclic diguanylic acid (c-di-GMP) has increased dramatically. Evidence started to emerge that connects c-di-GMP to the regulation of a range of biological processes in bacteria, such as bacterial biofilm formation, virulence, extracellular polysaccharide synthesis, however, much remains to be explored in the signaling pathways that involve this secondary messenger. This molecule has also been shown to be a very powerful immunostimulating agent and potent mucosal vaccine adjuvant.

(A) Photoregulation of DNA Functions by Cyclic Azobenzene-tethered Oligonucleotides (B) Site-specific Fluorescent Labeling of DNA using Inverse Electron Demand Diels-Alder Reaction between trans-Cyclooctene Derivatives and BODIPY-Tetrazine Adducts

(A) Most azobenzene-based photoswitches require UV light for photoisomerization, which limit their applications in biological systems due to possible photodamage. Cyclic azobenzene derivatives, on the other hand, can undergo cis-trans isomerization when exposed to visible light. A shortened synthetic scheme was developed for the preparation of a building block containing cyclic azobenzene and D-threoninol (cAB-Thr). trans-Cyclic azobenzene was found to thermally isomerize back to the cis-form in a temperature-dependent manner. cAB-Thr was transformed into the corresponding phosphoramidite and subsequently incorporated into oligonucleotides by solid phase synthesis. Melting temperature measurement suggested that incorporation of cis-cAB into oligonucleotides destabilizes DNA duplexes, these findings corroborate with circular dichroism measurement. Finally, Fluorescent Energy Resonance Transfer experiments indicated that trans-cAB can be accommodated in DNA duplexes. (B) Inverse Electron Demand Diels-Alder reactions (IEDDA) between trans-olefins and tetrazines provide a powerful alternative to existing ligation chemistries due to its fast reaction rate, bioorthogonality and mutual orthogonality with other click reactions. In this project, an attempt was pursued to synthesize trans-cyclooctene building blocks for oligonucleotide labeling by reacting with BODIPY-tetrazine. Rel-(1R-4E-pR)-cyclooct-4-enol and rel-(1R,8S,9S,4E)-Bicyclo[6.1.0]non-4-ene-9-ylmethanol were synthesized and then transformed into the corresponding propargyl ether. Subsequent Sonogashira reactions between these propargylated compounds with DMT-protected 5-iododeoxyuridine failed to give the desired products. Finally a methodology was pursued for the synthesis of BODIPY-tetrazine conjugates that will be used in future IEDDA reactions with trans-cyclooctene modified oligonucleotides.

GREBP, un nouveau facteur de transcription contrôlant l’expression de la guanylate cyclase A, récepteur de l’ANP, via l’élément de réponse au cGMP

La découverte du système des peptides natriurétiques (NP), au début des années 80, fut une découverte majeure qui révéla le rôle endocrinien du cœur. Les connaissances sur la relaxation vasculaire, la diurèse et la natriurèse provoquées par ce système ont évolué vers un niveau de complexité insoupçonné à cette époque. Nous savons à présent que les NP sont impliqués dans plusieurs autres mécanismes dont la prolifération cellulaire, l’apoptose, l’inhibition du système rénine-angiotensine-aldostérone (RAAS) et le métabolisme des adipocytes. Le métabolisme des lipides est maintenant devenu une cible de choix dans la lutte contre l’obésité. Cette condition aux proportions pandémiques est un facteur de risque majeur dans l’apparition de l’hypertension et du syndrome métabolique (MetS). La compréhension des mécanismes et des défauts de la voie des NP pourrait avoir un impact positif sur le contrôle du MetS et de l’hypertension. L’expression du récepteur des peptides natriuretiques de type 1 (NPR1/GCA) est contrôlée par plusieurs agents incluant son propre ligand, le peptide natriurétique de l’oreillette (ANP). La découverte d’une boucle de retro-inhibition, dans les années 90, a été un événement majeur dans le domaine des NP. En effet, suite à une stimulation à l’ANP, le NPR1/GCA peut inhiber l’activité transcriptionnelle de son propre gène par un mécanisme dépendant du cGMP. Notre groupe a identifié un élément cis-régulateur responsable de cette sensibilité au cGMP et mon projet consistait à identifier la ou les protéine(s) liant cet élément de réponse au cGMP (cGMP-RE). Nous avons identifié un clone liant le cGMP-RE en utilisant la technique du simple hybride chez la levure et une banque d’ADN complémentaire (ADNc) de rein humain. Ce clone provient d’un ADNc de 1083-bp dont le gène est localisé sur le chromosome 1 humain (1p33.36) et codant pour une protéine dont la fonction était inconnue jusqu’ici. Nous avons nommé cette nouvelle protéine GREBP en raison de sa fonction de cGMP Response Element Binding Protein. Des essais de liaison à l’ADN ont montré que cette protéine possède une affinité 18 fois plus élevée pour le cGMP-RE que le contrôle, tandis que des expériences de retard sur gel (EMSA) ont confirmé la spécificité des interactions protéine-ADN. De plus, l’immuno-précipitation de la chromatine (ChIP) a prouvé que GREBP lie le cGMP-RE dans des conditions physiologiques. La liaison de GREBP au cGMP-RE inhibe l’expression du gène rapporteur luciférase sous contrôle du promoteur de npr1/gca. L’inhibition de GREBP à l’aide d’ARN interférant active le promoteur de npr1/gca. Dans les cellules NCI-H295R, l’ANP stimule l’expression de grebp de 60% après seulement 3 heures et inhibe l’expression de npr1/gca de 30%. GREBP est une protéine nucléaire surtout exprimée dans le cœur et ayant le facteur eIF3F comme partenaire. Les variations nucléotidiques du gène sont plus fréquentes chez les patients hypertendus que chez des patients normotendus ou hypertendus souffrant de MetS. Nous rapportons ici l’existence d’un gène spécifique à l’humain qui agit comme répresseur transcriptionnel de npr1/gca et potentiellement impliqué dans le développement de l’hypertension.

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Voies de signalisation non-canoniques du récepteur V2 de la vasopressine

Le récepteur V2 (V2R) de la vasopressine est un récepteur couplé aux protéines G (RCPG), jouant un rôle fondamental dans le maintien de l’homéostasie hydrosodique. À l’instar de nombreux RCPGs, il est capable d’interagir avec plusieurs types de protéines G hétérotrimériques et possède des voies de signalisation peu explorées aux mécanismes mal compris. Ces voies non canoniques font l’objet des travaux exposés dans ce mémoire. Il s’agit d’explorer les caractéristiques et mécanismes de la signalisation de V2R via G12, et de la voie d’activation d’ERK 1/2 par transactivation du récepteur de l’insulin-like growth factor 1, IGF1R. Par des études de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), nous exposons la capacité de V2R à interagir avec la sous-unité Gα12 ainsi que la modulation de la conformation de l’hétérotrimère G12 par l’agoniste de V2R, l’arginine-vasopressine. Ces travaux dévoilent également la modulation de l’interaction entre Gα12 et son effecteur classique RhoA, suggérant un engagement de RhoA, ainsi que la potentialisation via Gα12 de la production d’AMP cyclique. À l’aide de diverses méthodes d’inhibition sélective, nos résultats précisent les mécanismes de la transactivation. Ils supportent notamment le rôle initiateur de l’activation de Src par V2R et l’absence d’implication des ligands connus d’IGF1R dans la transactivation. La métalloprotéase MMP 3 apparaît par ailleurs comme un bon candidat pour réguler la transactivation. Ce projet met en lumière des modes de signalisation peu explorés de V2R, dont l’implication physiologique et physiopathologique pourrait s’avérer significative, au-delà d’un apport fondamental dans la compréhension de la signalisation des RCPGs.

Dopamine D1 and D2 Receptor Gene Expression and cGMP, IP3 and Ca2+ Regulation in the Brain Regions of Hypoxic Neonatal Rats: Role of Glucose, Oxygen and Epinephrine Supplementation

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Glutamate Receptor Gene Expression: IP3, cAMP, cGMP Functional Regulation in Hypoglycaemic and Diabetic Rats

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

Bone marrow cells differentiation to neurons in the rat brain using Serotonin and GABA:Their role on glutamate receptors, IP3, cAMP and cGMP functional regulation in unilateral Parkinsonism induced by 6-hydroxydopamine

Parkinson's disease is a chronic progressive neurodegenerative movement disorder characterized by a profound and selective loss of nigrostriatal dopaminergic neurons. Our findings demonstrated that glutamatergic system is impaired during PD. The evaluations of these damages have important implications in understanding the molecular mechanism underlying motor, cognitive and memory deficits in PD. Our results showed a significant increase of glutamate content in the brain regions of 6- OHDA infused rat compared to control. This increased glutamate content caused an increase in glutamatergic and NMDA receptors function. Glutamate receptor subtypes- NMDAR1, NMDA2B and mGluR5 have differential regulatory role in different brain regions during PD. The second messenger studies confirmed that the changes in the receptor levels alter the IP3, cAMP and cGMP content. The alteration in the second messengers level increased the expression of pro-apoptotic factors - Bax and TNF-α, intercellular protein - α-synuclein and reduced the expression of transcription factor - CREB. These neurofunctional variations are the key contributors to motor and cognitive abnormalities associated with PD. Nestin and GFAP expression study confirmed that 5-HT and GABA induced the differentiation and proliferation of the BMC to neurons and glial cells in the SNpc of rats. We also observed that activated astrocytes are playing a crucial role in the proliferation of transplanted BMC which makes them significant for stem cell-based therapy. Our molecular and behavioural results showed that 5-HT and GABA along with BMC potentiates a restorative effect by reversing the alterations in glutamate receptor binding, gene expression and behaviour abnormality that occur during PD. The therapeutic significance in Parkinson’s disease is of prominence.

Muscarinic M1 and M3 Receptors,IP3 and cGMP Functional Regulation in Streptozotocin Induced Diabetic Rats: Insulin and Somatotropin Induced Rejuvenation as a Function of Age

The present study describes that acetylcholine through muscarinic Ml and M3 receptors play an important role in the brain function during diabetes as a function of age. Cholinergic activity as indicated by acetylcholine esterase, a marker for cholinergic function, decreased in the brain regions - the cerebral cortex, brainstem and corpus striatum of old rats compared to young rats. in diabetic condition, it was increased in both young and old rats in cerebral cortex, and corpus striatum while in brainstem it was decreased. The functional changes in the muscarinic receptors were studied in the brain regions and it showed that muscarinic M I receptors of old rats were down regulated in cerebral cortex while in corpus striatum and brainstem it was up regulated. Muscarinic M3 receptors of old rats showed no significant change in cerebral cortex while in corpus striatum and brainstem muscarinic receptors were down regulated. During diabetes, muscarinic M I receptors were down regulated in cerebral cortex and brainstem of young rats while in corpus striatum they were up regulated. In old rats, M I receptors were up regulated in cerebral cortex, corpus striatum and in brainstem they were down regulated. Muscarinic M3 receptors were up regulated in cerebral cortex and brainstem of young rats while in corpus striatum they were down regulated. In old rats, muscarinic M l receptors were up regulated in cerebral cortex, corpus striatum and brainstem. In insulin treated diabetic rats the activity of the receptors were reversed to near control. Pancreatic muscarinic M3 receptor activity increased in the pancreas of both young and old rats during diabetes. In vitro studies using carbachol and antagonists for muscarinic Ml and M3 receptor subtypes confirmed the specific receptor mediated neurotransmitter changes during diabetes. Calcium imaging studies revealed muscarinic M I mediated Ca2 + release from the pancreatic islet cells of young and old rats. Electrophysiological studies using EEG recording in young and old rats showed a brain activity difference during diabetes. Long term low dose STH and INS treated rat brain tissues were used for gene expression of muscarinic Ml, M3, glutamate NMDARl, mGlu-5,alpha2A, beta2, GABAAa1 and GABAB, DAD2 and 5-HT 2C receptors to observe the neurotransmitter receptor functional interrelationship for integrating memory, cognition and rejuvenating brain functions in young and old. Studies on neurotransmitter receptor interaction pathways and gene expression regulation by second messengers like IP3 and cGMP in turn will lead to the development of therapeutic agents to manage diabetes and brain activity.From this study it is suggested that functional improvement of muscarinic Ml, M3, glutamate NMDAR1, mGlu-5, alpha2A, beta2, GABAAa1 and GABAB, DAD2 and 5-HT 2C receptors mediated through IP3 and cGMP will lead to therapeutic applications in the management of diabetes. Also, our results from long term low dose STH and INS treatment showed rejuvenation of the brain function which has clinical significance in maintaining healthy period of life as a function of age.

Statistical evidences of cyclic changes in volcanic gas chemistry composition by inverse modelling

The identification of compositional changes in fumarolic gases of active and quiescent volcanoes is one of the most important targets in monitoring programs. From a general point of view, many systematic (often cyclic) and random processes control the chemistry of gas discharges, making difficult to produce a convincing mathematical-statistical modelling. Changes in the chemical composition of volcanic gases sampled at Vulcano Island (Aeolian Arc, Sicily, Italy) from eight different fumaroles located in the northern sector of the summit crater (La Fossa) have been analysed by considering their dependence from time in the period 2000-2007. Each intermediate chemical composition has been considered as potentially derived from the contribution of the two temporal extremes represented by the 2000 and 2007 samples, respectively, by using inverse modelling methodologies for compositional data. Data pertaining to fumaroles F5 and F27, located on the rim and in the inner part of La Fossa crater, respectively, have been used to achieve the proposed aim. The statistical approach has allowed us to highlight the presence of random and not random fluctuations, features useful to understand how the volcanic system works, opening new perspectives in sampling strategies and in the evaluation of the natural risk related to a quiescent volcano

Synthesis and evaluation of cyclic cationic peptides as antimicrobial agents for use in plant protection

Aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de l'aplicació de pèptids antimicrobians en la lluita contra agents patògens de cultius de plantes d'interès econòmic.L'estratègia sintètica s'ha portat a terme utilitzant metodologies convencionals de síntesi de pèptids en fase sòlida com l'estratègia tridimensional ortogonal Fmoc/tBut/Allyl. Ha calgut fer la recerca de les condicions òptimes per a l'eliminació del grup Allyl i la ciclació. D'entre els pèptids cíclics de 4-10 aminoacids sintetitzats, el decapèptid c(Lys-Leu-Lys-Leu-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) ha resultat ésser el més efectiu i s'ha pres com a base per al disseny d'una quimioteca de 56 pèptids. Dels resultats obtinguts s'ha sintetitzat una segona quimioteca basada en l'estructura general c(X1-X2-X3-X4-Lys-Phe-Lys-Lys-Leu-Gln) determinada com la que posseix el millor perfil d'activitat. Els pèptids més efectius obtinguts constituixen els primers exemples de pèptids cíclics actius contra E. amylovora i poden ser considerats com a bons candidats pel desenvolupament d'agents antimicrobians efectius en protecció vegetal.

Mechanism of action of cyclic antimicrobial peptides

This PhD thesis is the result of the combination of experimental and computational techniques with the aim of understanding the mechanism of action of de novo cyclic decapeptides with high antimicrobial activity. By experimental techniques the influence of the replacement of the phenylalanine for tryptophan residue in their antimicrobial activity was tested and the stability in human serum was also analyzed, in order to evaluate their potential therapeutic application as antitumor agents. On the other hand, the interaction amongst the peptide BPC194 c(KKLKKFKKLQ), the best candidate from the whole library of cyclic peptides, and a model anionic membrane was simulated. The results showed a structure-function relationship derived from the stable conformation of the peptides involved in the membrane permeabilization. As a result, a rational design was performed being BPC490 the peptide with best antimicrobial activity compared with the best active peptide from the original library.