Stress responses of Gram-positive bacteria to cationic antimicrobial peptides

As the resistance of bacteria to conventional antibiotics has become an increasing problem, new antimicrobial drugs are urgently needed. One possible source of new antibacterial agents is a group of cationic antimicrobial peptides (CAMPs) produced by practically all living organisms. These peptides are typically small, amphipathic and positively charged and contain well defined a-helical or b-sheet secondary structures. The main antibacterial action mechanism of CAMPs is considered to be disruption of the cell membrane, but other targets of CAMPs also exist. Some bacterial species have evolved defence mechanisms against the harmful effects of CAMPs. One of the most effective defence mechanisms is reduction of the net negative charge of bacterial cell surfaces. Global analysis of gene expression of two Gram-positive bacteria, Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus, was used to further study the stress responses induced by different types of CAMPs. B. subtilis cells were treated with sublethal concentrations of a-helical peptide LL-37, b-sheet peptide protegrin 1 or synthetic analogue poly-L-lysine, and the changes in gene expression were studied using DNA macroarrays. In the case of S. aureus, three different a-helical peptides were selected for the transcriptome analyses: temporin L, ovispirin-1 and dermaseptin K4-S4(1-16). Transcriptional changes caused by peptide stress were examined using oligo DNA microarrays. The transcriptome analysis revealed two main cell signalling mechanisms mediating CAMP stress responses in Gram-positive bacteria: extracytoplasmic function (ECF)sigma factors and two-component systems (TCSs). In B. subtilis, ECF sigma factors sigW and sigM as well as TCS LiaRS responded to the cell membrane disruption caused by CAMPs. In S. aureus, CAMPs caused a similar stress response to antibiotics interfering in cell wall synthesis, and TCS VraSR was strongly activated. All of these transcriptional regulators are known to respond to several compounds other than CAMPs interfering with cell envelope integrity, suggesting that they sense cell envelope stress in general. Among the most strongly induced genes were yxdLM (in B. subtilis) and vraDE (in S. aureus) encoding homologous ABC transporters. Transcription of yxdLM and vraDE operons is controlled by TCSs YxdJK and ApsRS, respectively. These TCSs seemed to be responsible for the direct recognition of CAMPs. The yxdLM operon was specifically induced by LL-37, but its role in CAMP resistance remained unclear. VraDE was proven to be a bacitracin transporter. We also showed that the net positive charge of the cell wall affects the signalrecognition of different TCSs responding to cell envelope stress. Inactivation of the Dlt system responsible for the D-alanylation of teichoic acids had a strong and differential effect on the activity of the studied TCSs, depending on their functional role in cells and the stimuli they sense.

Effects of Withania somnifera and Tinospora cordifolia Extracts on the Side Population Phenotype of Human Epithelial Cancer Cells: Toward Targeting Multidrug Resistance in Cancer

Recent reports suggest the existence of a subpopulation of stem-like cancer cells, termed as cancer stem cells (CSCs), which bear functional and phenotypic resemblance with the adult, tissue-resident stem cells. Side population (SP) assay based on differential efflux of Hoechst 33342 has been effectively used for the isolation of CSCs. The drug resistance properties of SP cells are typically due to the increased expression of ABC transporters leading to drug efflux. Conventionally used chemotherapeutic drugs may often leads to an enrichment of SP, revealing their inability to target the drug-resistant SP and CSCs. Thus, identification of agents that can reduce the SP phenotype is currently in vogue in cancer therapeutics. Withania somnifera (WS) and Tinospora cordifolia (TC) have been used in Ayurveda for treating various diseases, including cancer. In the current study, we have investigated the effects of ethanolic (ET) extracts of WS and TC on the cancer SP phenotype. Interestingly, we found significant decrease in SP on treatment with TC-ET, but not with WS-ET. The SP-inhibitory TC-ET was further fractionated into petroleum ether (TC-PET), dichloromethane (TC-DCM), and n-butyl alcohol (TC-nBT) fractions using bioactivity-guided fractionation. Our data revealed that TC-PET and TC-DCM, but not TC-nBT, significantly inhibited SP in a dose-dependent manner. Furthermore, flow cytometry-based functional assays revealed that TC-PET and TC-DCM significantly inhibited ABC-B1 and ABC-G2 transporters and sensitized cancer cells toward chemotherapeutic drug-mediated cytotoxicity. Thus, the TC-PET and TC-DCM may harbor phytochemicals with the potential to reverse the drug-resistant phenotype, thus improving the efficacy of cancer chemotherapy.

Pharmacology and pore-forming domains of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride channel member of the ATP-binding cassette (ABC) superfamily of membrane proteins. CFTR has two homologous halves, each consisting of six transmembrane spanning domains (TM) followed by a nucleotide binding fold, connected by a regulatory (R) domain. This thesis addresses the question of which domains are responsible for Cl^- selectivity, i.e., which domains line the channel pore.

To address this question, novel blockers of CFTR were characterized. CFTR was heterologously expressed in Xenopus oocytes to study the mechanism of block by two closely related arylaminobenzoates, diphenylamine-2-carboxylic acid (DPC) and flufenamic acid (FFA). Block by both is voltage-dependent, with a binding site ≈ 40% through the electric field of the membrane. DPC and FFA can both reach their binding site from either side of the membrane to produce a flickering block of CFTR single channels. In addition, DPC block is influenced by Cl^- concentration, and DPC blocks with a bimolecular forward binding rate and a unimolecular dissociation rate. Therefore, DPC and FFA are open-channel blockers of CFTR, and a residue of CFTR whose mutation affects their binding must line the pore.

Screening of site-directed mutants for altered DPC binding affinity reveals that TM-6 and TM-12 line the pore. Mutation of residue 5341 in TM-6 abolishes most DPC block, greatly reduces single-channel conductance, and alters the direction of current rectification. Additional residues are found in TM-6 (K335) and TM-12 (T1134) whose mutations weaken or strengthen DPC block; other mutations move the DPC binding site from TM-6 to TM-12. The strengthened block and lower conductance due to mutation T1134F is quantitated at the single-channel level. The geometry of DPC and of the residues mutated suggest α-helical structures for TM-6 and TM-12. Evidence is presented that the effects of the mutations are due to direct side-chain interaction, and not to allosteric effects propagated through the protein. Mutations are also made in TM-11, including mutation S1118F, which gives voltage-dependent current relaxations. The results may guide future studies on permeation through ABC transporters and through other Cl^- channels.

Sequence analysis of Arthrospira maxima based on fosmid library

Arthrospira (Spirulina) (Setchell& Gardner) is an important cyanobacterium not only in its nutritional potential but in its special biological characteristics. An unbiased fosmid library of Arthrospira maxima FACHB438 that contains 4300 clones was constructed. The size distribution of insert fragments is from 15.5 to 48.9 kb and the average size is 37.6 kb. The recombination frequency is 100%. Therefore the library is 29.9 equivalents to the Arthrospira genome size of 5.4 Mb. A total of 719 sample clones were randomly chosen from the library and 602 available sequences, which consisted of 307,547 bases, covering 5.70% of the whole genome. The codon usage of A. maxima was not strongly biased. GC content at the first position of codons (46.9%) was higher than the second (39.8%) and the third (45.5%) positions. GC content of the genome was 43.6%. Of these sequences, 287 (47.7%) showed high similarities to known genes, 63 (10.5%) to hypothetical genes and the remaining 252 (41.8%) had no significant similarities. The assigned genes were classified into 22 categories with respect to different biological roles. Remarkably, the high presence of 25 sequences (4.2%) encoding reverse transcriptase indicates the RT gene may have multiple copies in the A. maxima genome and might play an important role in the evolutionary history and metabolic regulation. In addition, the sequences encoding the ATP-binding cassette transport system and the two-component signal transduction system were the second and third most frequent genes, respectively. These genomic features provide some clues as to the mechanisms by which this organism adapts to the high concentration of bicarbonate and to the high pH environment.

Genomic insights into the origin of parasitism in the emerging plant pathogen Bursaphelenchus xylophilus.

Bursaphelenchus xylophilus is the nematode responsible for a devastating epidemic of pine wilt disease in Asia and Europe, and represents a recent, independent origin of plant parasitism in nematodes, ecologically and taxonomically distinct from other nematodes for which genomic data is available. As well as being an important pathogen, the B. xylophilus genome thus provides a unique opportunity to study the evolution and mechanism of plant parasitism. Here, we present a high-quality draft genome sequence from an inbred line of B. xylophilus, and use this to investigate the biological basis of its complex ecology which combines fungal feeding, plant parasitic and insect-associated stages. We focus particularly on putative parasitism genes as well as those linked to other key biological processes and demonstrate that B. xylophilus is well endowed with RNA interference effectors, peptidergic neurotransmitters (including the first description of ins genes in a parasite) stress response and developmental genes and has a contracted set of chemosensory receptors. B. xylophilus has the largest number of digestive proteases known for any nematode and displays expanded families of lysosome pathway genes, ABC transporters and cytochrome P450 pathway genes. This expansion in digestive and detoxification proteins may reflect the unusual diversity in foods it exploits and environments it encounters during its life cycle. In addition, B. xylophilus possesses a unique complement of plant cell wall modifying proteins acquired by horizontal gene transfer, underscoring the impact of this process on the evolution of plant parasitism by nematodes. Together with the lack of proteins homologous to effectors from other plant parasitic nematodes, this confirms the distinctive molecular basis of plant parasitism in the Bursaphelenchus lineage. The genome sequence of B. xylophilus adds to the diversity of genomic data for nematodes, and will be an important resource in understanding the biology of this unusual parasite.

An amino acid substitution in Fasciola hepatica P-glycoprotein from triclabendazole-resistant and triclabendazole-susceptible populations

Control of fasciolosis is threatened by the development of anthelmintic resistance. Enhanced triclabendazole (TCBZ) efflux by ABC transporters such as P-glycoprotein (Pgp) has been implicated in this process. A putative full length cDNA coding for a Pgp expressed in adult Fasciola hepatica has been constructed and used to design a primer set capable of amplifying a region encoding part of the second nucleotide binding domain of Pgp when genomic DNA was used as a template. Application of this primer set to genomic DNA from TCBZ-resistant and -susceptible field populations has shown a significant difference in the alleles present. Analysis of an allele occurring at a three-fold higher frequency in the "resistant" population revealed that it was characterised by a serine to arginine substitution at residue 1144. Homology modelling studies have been used to locate this site in the Pgp structure and hence assess its potential to modify functional activity. © 2012 Elsevier B.V.

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.

Estudo da Toxicidade do Chumbo na Levedura Saccharomyces cerevisiae

O chumbo é um importante poluente ambiental. A levedura Saccharomyces cerevisiae constitui um modelo útil para o estudo dos efeitos tóxicos do chumbo. O conhecimento dos mecanismos de defesa e resistência à presença de metais pesados poderá ser útil em tecnologias de proteção ambiental, nomeadamente no desenvolvimento de novas metodologias para a biorremediação de metais pesados. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto do Pb na capacidade proliferativa, na integridade membranar e na produção intracelular de espécies reativas de oxigénio (ROS), na estirpe laboratorial da levedura Saccharomyces cerevisiae BY4741 (estirpe selvagem, WT). Foi também estudado o papel das mitocôndrias, como fonte de ROS induzida por Pb, e o envolvimento da H+-ATPase vacuolar (V-ATPase) e de transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC (de ATP-binding cassette) na defesa contra a toxicidade do Pb. O estudo cinético do impacto de duas concentrações de Pb na viabilidade das leveduras (avaliado através de um ensaio clonogénico), na integridade da membrana celular (determinada com iodeto de propídio) e na produção intracelular de ROS (o anião superóxido foi detetado com dihidroetídio e o peróxido de hidrogénio com 2’,7’- diclorodihidrofluoresceína), revelou uma perda progressiva da capacidade proliferativa (53 e 17% de células viáveis, após a exposição durante 3h a 250 ou 1000 µmol/l de chumbo, respetivamente), coincidente com a acumulação intracelular de anião superóxido e de peróxido de hidrogénio, na ausência de perda da integridade membranar. A importância das mitocôndrias na produção de ROS, induzida por chumbo, foi levada a cabo usando um mutante deficiente respiratório desprovido de ADN mitocondrial (ƿ0). Quando comparado com a respetiva estirpe parental, o mutante ƿ0 apresentou uma maior resistência ao Pb e uma menor produção de ROS induzida por Pb. A exposição das células da estirpe BY4741 a 250 e 1000 µmol/l de chumbo originou a formação de 49 e 58% de células deficientes respiratórias, respetivamente. A função da V-ATPase, na desintoxicação de chumbo, foi avaliada utilizando mutantes com uma estrutura vacuolar normal mas defetivos em subunidades da VATPase (vma1Δ, vma2Δ, vma3Δ e vph1Δ). Comparativamente às células da estirpe WT, todos os mutantes testados, sem V-ATPase funcional, apresentaram uma maior suscetibilidade ao Pb. O papel dos transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC, na defesa contra a toxicidade induzida por chumbo, foi levada a cabo utilizando mutantes sem os transportadores Ycf1p ou Vmr1p. Os resultados preliminares mostraram que quando comparadas com as células da estirpe WT, as células das estirpes ycf1Δ ou vmr1Δ não apresentavam uma maior perda da viabilidade. A modificação da morfologia vacuolar, em células expostas a chumbo, foi visualizada utilizando a estirpe Vma2p-GFP. O tratamento das células com Pb originou a fusão dos vacúolos de tamanho médio num único vacúolo de grande dimensão. Em conclusão, os estudos desenvolvidos no presente trabalho, utilizando a estirpe laboratorial BY4741, mostraram que a perda da capacidade proliferativa das leveduras, induzida pelo chumbo, pode ser atribuída à acumulação intracelular do anião superóxido e de peróxido de hidrogénio. As mitocôndrias parecem ser uma das principais fontes de ROS induzido por Pb e, simultaneamente, um dos principais alvos da sua toxicidade. Em S. cerevisiae, o vacúolo desempenha um papel importante na desintoxicação do Pb. A modificação da morfologia vacuolar após exposição ao chumbo poderá ser a consequência da acumulação de Pb no vacúolo. Enquanto os transportadores da superfamília ABC parecem não estar envolvidos na sequestração vacuolar de Pb, é necessária a presença, num estado funcional, da V-ATPase para que ocorra a compartimentação do Pb. Muito provavelmente, a compartimentação do Pb no vacúolo previne a sua acumulação no citosol e o desencadear dos respetivos efeitos tóxicos.

Régulation de l'activité transcriptionnelle de PPARgamma via l'activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a : potentiel anti-athérosclérotique

Les sécrétines peptidiques de l’hormone de croissance (GHRPs) constituent une classe de peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance (GH). Cette activité est médiée par leur liaison à un récepteur couplé aux protéines G : le récepteur des sécrétines de l’hormone de croissance (GHS-R1a), identifié subséquemment comme le récepteur de la ghréline. La ghréline est un peptide de 28 acides aminés sécrété principalement par les cellules de la muqueuse de l’estomac, qui exerce de nombreux effets périphériques indépendamment de la sécrétion de l’hormone de croissance. Les effets indépendants de la sécrétion de GH incluent, entre autres, des actions sur le contrôle de la prise de nourriture, le métabolisme énergétique, la fonction cardiaque, le système immunitaire et la prolifération cellulaire. L’étude de la distribution périphérique des sites de liaison des GHRPs nous a permis d’identifier un second site, le CD36, un récepteur scavenger exprimé dans plusieurs tissus dont le myocarde, l’endothélium de la microvasculature et les monocytes/macrophages. Le CD36 exprimé à la surface du macrophage joue un rôle clé dans l’initiation du développement de l’athérosclérose par la liaison et l’internalisation des lipoprotéines de faible densité oxydées (LDLox) dans l’espace sous-endothélial de l’artère. L’hexaréline, un analogue GHRP, a été développé comme agent thérapeutique pour stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse. Sa propriété de liaison aux récepteurs GHS-R1a et CD36 situés en périphérie et particulièrement sa capacité d’interférer avec la liaison des LDLox par le CD36 nous ont incité à évaluer la capacité de l’hexaréline à moduler le métabolisme lipidique du macrophage. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer les effets de l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a, par l’hexaréline et la ghréline, le ligand endogène du GHS-R1a, sur la physiologie du macrophage et de déterminer son potentiel anti-athérosclérotique. Les résultats montrent premièrement que l’hexaréline et la ghréline augmentent l’expression des transporteurs ABCA1 et ABCG1, impliqués dans le transport inverse du cholestérol, via un mécanisme contrôlé par le récepteur nucléaire PPARγ. La régulation de l’activité transcriptionnelle de PPARγ par l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a se fait indépendamment de la présence du domaine de liaison du ligand (LBD) de PPARγ et est conséquente de changements dans l’état de phosphorylation de PPARγ. Une étude plus approfondie de la signalisation résultant de la liaison de la ghréline sur le GHS-R1a révèle que PPARγ est activé par un mécanisme de concertation entre les voies de signalisation Gαq/PI3-K/Akt et Fyn/Dok-1/ERK au niveau du macrophage. Le rôle de PPARγ dans la régulation du métabolisme lipidique par l’hexaréline a été démontré par l’utilisation de macrophages de souris hétérozygotes pour le gène de Ppar gamma, qui présentent une forte diminution de l’activation des gènes de la cascade métabolique PPARγ-LXRα-transporteurs ABC en réponse à l’hexaréline. L’injection quotidienne d’hexaréline à un modèle de souris prédisposées au développement de l’athérosclérose, les souris déficientes en apoE sous une diète riche en cholestérol et en lipides, se traduit également en une diminution significative de la présence de lésions athérosclérotiques correspondant à une augmentation de l’expression des gènes cibles de PPARγ et LXRα dans les macrophages péritonéaux provenant des animaux traités à l’hexaréline. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse identifie certains nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de PPARγ et du métabolisme du cholestérol dans le macrophage via les récepteurs CD36 et GHS-R1a. Ils pourraient servir de cibles thérapeutiques dans une perspective de traitement des maladies cardiovasculaires.

Regulation of lipid metabolism in adipocytes and hepatocytes by hexarelin through scavenger receptor CD36

Les sécrétines de l’hormone de croissance (GHRPs) sont de petits peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance à partir de l’hypophyse via leur liaison au récepteur de la ghréline GHS-R1a. Le GHRP hexaréline a été utilisé afin d’étudier la distribution tissulaire de GHS-R1a et son effet GH-indépendant. Ainsi, par cette approche, il a été déterminé que l’hexaréline était capable de se lier à un deuxième récepteur identifié comme étant le récepteur scavenger CD36. Ce récepteur possède une multitude de ligands dont les particules oxLDL et les acides gras à longue chaîne. CD36 est généralement reconnu pour son rôle dans l’athérogénèse et sa contribution à la formation de cellules spumeuses suite à l’internalisation des oxLDL dans les macrophages/monocytes. Auparavant, nous avions démontré que le traitement des macrophages avec l’hexaréline menait à l’activation de PPARƔ via sa liaison à GHS-R1a, mais aussi à CD36. De plus, une cascade d’activation impliquant LXRα et les transporteurs ABC provoquait également une augmentation de l’efflux du cholestérol. Une stimulation de la voie du transport inverse du cholestérol vers les particules HDL entraînait donc une diminution de l’engorgement des macrophages de lipides et la formation de cellules spumeuses. Puisque CD36 est exprimé dans de multiples tissus et qu’il est également responsable du captage des acides gras à longue chaîne, nous avons voulu étudier l’impact de l’hexaréline uniquement à travers sa liaison à CD36. Dans le but d’approfondir nos connaissances sur la régulation du métabolisme des lipides par CD36, nous avons choisi des types cellulaires jouant un rôle important dans l’homéostasie lipidique n’exprimant pas GHS-R1a, soient les adipocytes et les hépatocytes. L’ensemble de mes travaux démontre qu’en réponse à son interaction avec l’hexaréline, CD36 a le potentiel de réduire le contenu lipidique des adipocytes et des hépatocytes. Dans les cellules adipeuses, l'hexaréline augmente l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la mobilisation et l’oxydation des acides gras, et induit également l’expression des marqueurs thermogéniques PGC-1α et UCP-1. De même, hexaréline augmente l’expression des gènes impliqués dans la biogenèse mitochondriale, un effet accompagné de changements morphologiques des mitochondries; des caractéristiques observées dans les types cellulaires ayant une grande capacité oxydative. Ces résultats démontrent que les adipocytes blancs traités avec hexaréline ont la capacité de se transformer en un phénotype similaire aux adipocytes bruns ayant l’habileté de brûler les acides gras plutôt que de les emmagasiner. Cet effet est également observé dans les tissus adipeux de souris et est dépendant de la présence de CD36. Dans les hépatocytes, nous avons démontré le potentiel de CD36 à moduler le métabolisme du cholestérol. En réponse au traitement des cellules avec hexaréline, une phosphorylation rapide de LKB1 et de l’AMPK est suivie d’une phosphorylation inhibitrice de l’HMG-CoA réductase (HMGR), l’enzyme clé dans la synthèse du cholestérol. De plus, la liaison d'hexaréline à CD36 provoque le recrutement d’insig-2 à HMGR, l’étape d’engagement dans sa dégradation. La dégradation de HMGR par hexaréline semble être dépendante de l’activité de PPARƔ et de l’AMPK. Dans le but d’élucider le mécanisme d’activation par hexaréline, nous avons démontré d’une part que sa liaison à CD36 provoque une déphosphorylation de Erk soulevant ainsi l’inhibition que celui-ci exerce sur PPARƔ et d’autre part, un recrutement de l’AMPK à PGC-1α expliquant ainsi une partie du mécanisme d’activation de PPARƔ par hexaréline. Les résultats générés dans cette thèse ont permis d’élucider de nouveaux mécanismes d’action de CD36 et d'approfondir nos connaissances de son influence dans la régulation du métabolisme des lipides.

Implication des interactions médicamenteuses, des transporteurs membranaires, du sexe et du diabète dans les mécanismes de survenue du syndrome du QT long médicamenteux

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les répercussions de l’insuffisance rénale chronique sur le transport des médicaments

L’insuffisance rénale chronique (IRC) affecte 13 % de la population américaine et son incidence ne cesse d’augmenter. Malgré un ajustement des doses de médicaments administrés en fonction du taux de filtration glomérulaire du patient urémique, près de 40 % des patients reçoivent une dose trop élevée en raison de modifications de l’élimination extrarénale des médicaments chez ces patients. Il est connu que l’IRC affecte l’élimination métabolique des médicaments par les cytochromes P450 et les enzymes de biotransformation de phase II. Nous avons aussi démontré, chez le rat, que l’IRC affecte l’expression et l’activité de transporteurs de médicaments intestinaux entraînant une augmentation de la biodisponibilité de certains médicaments. On retrouve des transporteurs de médicaments dans de nombreux organes comme le foie, les reins et la barrière hématoencéphalique (BHE) où ils jouent des rôles importants dans les éliminations biliaire et rénale et la pénétration des médicaments au cerveau. Le but de ce travail était de mesurer, chez des rats néphrectomisés, les impacts de l’IRC sur l’expression protéique et génique et l’activité des transporteurs de médicaments hépatiques, rénaux et cérébraux. Les transporteurs étudiés sont de la famille des transporteurs ABC (P-glycoprotéine, multidrug-resistance related protein, breast cancer resistance protein) ou des solute carriers (organic anion transporter, organic anion transporting protein). Aussi, une étude réalisée chez l’humain visait à évaluer la pharmacocinétique de deux médicaments : la fexofénadine, un médicament majoritairement transporté, et le midazolam, un substrat du cytochrome P450 3A4, chez des sujets dialysés. Nos résultats montrent que, chez le rat, l’IRC entraîne des modulations de l’expression des transporteurs d’influx et d’efflux hépatiques pouvant entraîner des diminutions du métabolisme hépatique et de l’excrétion biliaire des médicaments. Dans le rein, nous avons démontré des modulations de l’expression des transporteurs de médicaments. Nous avons aussi démontré que l’IRC diminue l’élimination urinaire de la rhodamine 123 et favorise l’accumulation intrarénale de médicaments transportés comme la benzylpénicilline et la digoxine. À la BHE, nous avons démontré des diminutions de l’expression des transporteurs de médicaments. Toutefois, nous n’avons pas observé d’accumulation intracérébrale de trois substrats utilisés (digoxine, doxorubicine et vérapamil) et même une diminution de l’accumulation intracérébrale de la benzylpénicilline. Il semble donc que, malgré les modulations de l’expression des différents transporteurs de médicaments, l’intégrité et la fonction de la BHE soient conservées en IRC. Chez l’humain, nous avons démontré une augmentation de la surface sous la courbe de la fexofénadine chez les sujets dialysés, comparativement aux témoins, suggérant une altération des mécanismes de transport des médicaments chez ces patients. Nous n’avons, toutefois, pas observé de modification de la pharmacocinétique du midazolam chez les patients dialysés, suggérant une activité métabolique normale chez ces patients. Un ou des facteurs s’accumulant dans le sérum des sujets urémiques semblent responsables des modulations de l’expression et de l’activité des transporteurs de médicaments observées chez le rat et l’humain. Ces travaux mettent en évidence une nouvelle problématique chez les sujets urémiques. Nous devons maintenant identifier les mécanismes impliqués afin d’éventuellement développer des stratégies pour prévenir la toxicité et la morbidité chez ces patients.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Legumes regulate Rhizobium bacteroid development and persistence by the supply of branched-chain amino acids

One of the largest contributions to biologically available nitrogen comes from the reduction of N-2 to ammonia by rhizobia in symbiosis with legumes. Plants supply dicarboxylic acids as a carbon source to bacteroids, and in return they receive ammonia. However, metabolic exchange must be more complex, because effective N-2 fixation by Rhizobium leguminosarum bv viciae bacteroids requires either one of two broad-specificity amino acid ABC transporters (Aap and Bra). It was proposed that amino acids cycle between plant and bacteroids, but the model was unconstrained because of the broad solute specificity of Aap and Bra. Here, we constrain the specificity of Bra and ectopically express heterologous transporters to demonstrate that branched-chain amino acid (LIV) transport is essential for effective N-2 fixation. This dependence of bacteroids on the plant for LIV is not due to their known down-regulation of glutamate synthesis, because ectopic expression of glutamate dehydrogenase did not rescue effective N-2 fixation. Instead, the effect is specific to LIV and is accompanied by a major reduction in transcription and activity of LIV biosynthetic enzymes. Bacteroids become symbiotic auxotrophs for LIV and depend on the plant for their supply. Bacteroids with aap bra null mutations are reduced in number, smaller, and have a lower DNA content than wild type. Plants control LIV supply to bacteroids, regulating their development and persistence. This makes it a critical control point for regulation of symbiosis. MICROBIOLOGY

Crystallographic structure and substrate-binding interactions of the molybdate-binding protein of the phytopathogen Xanthomonas axonopodis pv. citri

In Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac or X citri), the modA gene codes for a periplasmic protein (ModA) that is capable of binding molybdate and tungstate as part of the ABC-type transporter required for the uptake of micronutrients. In this study, we report the crystallographic structure of the Xac ModA protein with bound molybdate. The Xac ModA structure is similar to orthologs with known three-dimensional structures and consists of two nearly symmetrical domains separated by a hinge region where the oxyanion-binding site lies. Phylogenetic analysis of different ModA orthologs based on sequence alignments revealed three groups of molybdate-binding proteins: bacterial phytopathogens, enterobacteria and soil bacteria. Even though the ModA orthologs are segregated into different groups, the ligand-binding hydrogen bonds are mostly conserved, except for Archaeglobus fulgidus ModA. A detailed discussion of hydrophobic interactions in the active site is presented and two new residues, Ala(38) and Ser(151), are shown to be part of the ligand-binding pocket. (c) 2007 Elsevier B.V All rights reserved.