Fructose-1,6-bisphosphate preserves intracellular glutathione and protects cortical neurons against oxidative stress

Fructose-1,6-bisphosphate (FBP), an endogenous intermediate of glycolysis, protects the brain against ischemia-reperfusion injury. The mechanisms of FBP protection after cerebral ischemia are not well understood. The current study was undertaken to determine whether FBP protects primary neurons against hypoxia and oxidative stress by preserving reduced glutathione (GSH). Cultures of pure cortical neurons were subjected to oxygen deprivation, a donor of nitric oxide and superoxide radicals (3-morpholinosydnonimine), an inhibitor of glutathione synthesis (L-buthionine-sulfoximine) or glutathione reductase (1,3-bis(2-chloroethyl)-1-nitrosourea) in the presence or absence of FBP (3.5 mM). Neuronal viability was determined using an 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide assay. FBP protected neurons against hypoxia-reoxygenation and oxidative stress under conditions of compromised GSH metabolism. The efficacy of FBP depended on duration of hypoxia and was associated with higher intracellular GSH concentration, an effect partly mediated via increased glutathione reductase activity.

Increasing the Glutathione Content in a Chilling-Sensitive Maize Genotype Using Safeners Increased Protection against Chilling-Induced Injury

With the aim of analyzing their protective function against chilling-induced injury, the pools of glutathione and its precursors, cysteine (Cys) and gamma -glutamyl-Cys, were increased in the chilling-sensitive maize (Zea mays) inbred line Penjalinan using a combination of two herbicide safeners. Compared with the controls, the greatest increase in the pool size of the three thiols was detected in the shoots and roots when both safeners were applied at a concentration of 5 muM. This combination increased the relative protection from chilling from 50% to 75%. It is interesting that this increase in the total glutathione (TG) level was accompanied by a rise in glutathione reductase (GR; EC 1.6.4.2) activity. When the most effective safener combination was applied simultaneously with increasing concentrations of buthionine sulfoximine, a specific inhibitor of glutathione synthesis, the total gamma -glutamyl-Cys and TG contents and GR activity were decreased to very low levels and relative protection was lowered from 75% to 44%. During chilling, the ratio of reduced to oxidized thiols first decreased independently of the treatments, but increased again to the initial value in safener-treated seedlings after 7 d at 5 degreesC. Taking all results together resulted in a linear relationship between TG and GR and a biphasic relationship between relative protection and GR or TG, thus demonstrating the relevance of the glutathione levels in protecting maize against chilling-induced injury.

Low cytotoxicity of creams and lotions formulated with Buriti oil (Mauritia flexuosa) assessed by the neutral red release test

The aim of this work was to evaluate possible cytotoxic effects of topical creams and lotions produced with Buriti oil and commercial surfactants on human keratinocytes HaCat and 3T3 embryonic mouse fibroblast cultures. We also aimed to assess the cytotoxicity of the surfactants used to produce the emulsions. The neutral red release (NRR) assay was performed as an in vitro method to evaluate the cytotoxicity of the emulsions in HaCat and 3T3 cell lines and predict potential skin irritation. The Buriti oil emulsions presented low cytotoxicity to the cells at high concentrations and the addition of Vitamin E increased cell viability. Among the surfactant tested, Unitol(R) CE 200F proved to be the most cytotoxic, presenting an IC50 significantly lower than the others. Emulsions formulated with Buriti oil and commercial surfactants could be non irritant to the skin due to their low cytotoxicity, especially when enhanced with vitamin E. When emulsified with Buriti oil, water and Brij 72, Unitol CE200F showed less cytotoxic effects than when tested alone. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of creatine supplementation on homocysteine levels and lipid peroxidation in rats

Hyperhomocysteinaemia is an independent risk factor for CVD. Recent data show a relationship between homocysteine (Hcy) and free radical formation. Since creatine synthesis is responsible for most of the methyl group transfers that result in Hcy formation, creatine supplementation might inhibit Hcy production and reduce free radical formation. The present study investigated the effects of creatine supplementation on Hcy levels and lipid peroxidation biomarkers. Thirty rats were divided into three groups: control group; diet with creatine group (DCr; 2% creatine in the diet for 28 d); creatine overload plus diet with creatine group (CrO + D; 5 g creatine/kg by oral administration for 5 d + 2 % in the diet for 23 d). Plasma Hcy was significantly lower (P<0.05) in DCr (7.5 (SD 1.2) mu mol/l) and CrO + D (7.2 (SD 1.7) mu mol/l) groups compared with the control group (12.4 (SD 2.2) mu mol/l). Both plasma thiobarbituric acid-reactive species (TBARS) (control, 10 (SD 3.4); DCr, 4.9 (So 0.7); CrO + D, 2.4 (SD 1) mu mol/l) and plasma total glutathione (control, 4.3 (SD 1.9); DCr, 2.5 (SD 0.8); CrO + D, 1.8 (SD 0.5) mu mol/l) were lower in the groups that received creatine (P<0.05). In addition, Hcy showed significant negative correlation (P<0.05) with plasma creatine (r - 0.61) and positive correlation with plasma TBARS (r 0.74). Plasma creatine was negatively correlated with plasma TBARS (r - 0.75) and total peroxide (r - 0.40). We conclude that creatine supplementation reduces plasma Hcy levels and lipid peroxidation biomarkers, suggesting a protective role against oxidative damage. Modulating Hcy fort-nation may, however, influence glutathione synthesis and thereby affect the redox state of the cells.

Effect of Antioxidants During Bovine In Vitro Fertilization Procedures on Spermatozoa and Embryo Development

Increased amounts of reactive oxygen species (ROS) during in vitro fertilization (IVF) may cause cytotoxic damage to gametes, whereas small amounts of ROS favour sperm capacitation. The aim of this study was to investigate the effect of antioxidants [50 mu M beta-mercaptoethanol (beta-ME) and 50 mu M cysteamine (Cyst)] or a pro-oxidant (5 mm buthionine sulfoximine) on the quality and penetrability of spermatozoa into bovine oocytes and on the subsequent embryo development and quality when added during IVF. Sperm quality, evaluated by the integrity of plasma and acrosomal membranes, and mitochondrial function, was diminished (p < 0.05) after 4-h culture in the presence of antioxidants. Oocyte penetration rates were similar between treatments (p > 0.05), but antioxidants adversely affected the normal pronuclear formation rates (p < 0.05). The incidence of polyspermy was high for beta-ME (p < 0.05). No differences were observed in cleavage rates between treatments (p > 0.05). However, the developmental rate to the blastocyst stage was adversely affected by Cyst treatment (p < 0.05). The quality of embryos that reached the blastocyst stage, evaluated by total, inner cell mass (ICM) and trophectoderm cell numbers and ICM/total cell ratio was unaffected (p > 0.05) by treatments. The results indicate that ROS play a role in the fertilizing capacity in bovine spermatozoa, as well as in the interaction between the spermatozoa and the oocytes. It can be concluded that supplementation with antioxidants during IVF procedures impairs sperm quality, normal pronuclear formation and embryo development to the blastocyst stage.

Hepatic xenobiotic metabolism of cylindrospermopsin in vivo in the mouse

Cylindrospermopsin (CYN) is a hepatotoxin isolated from the blue-green alga Cylindrospermopsis raciborskii. The role of both glutathione (GSH) and the cytochrome P450 enzyme system (P450) in the mechanism of toxicity of CYN has been previously investigated in in vitro systems. We have investigated the role of GSH and P450 in vivo in mice. Mice pre-treated with buthionine sulphoximine and diethyl maleate to deplete hepatic GSH prior to dosing with 0.2 mg/kg CYN showed a seven-day survival rate of 5/13 while the control group rate was 9/14. Dosing mice with 0.2 mg/kg CYN produced a small decrease in hepatic GSH with a characteristic rebound effect at 24 h, The magnitude of this effect is however small and combined with the non-significant difference in survival rates after GSH depletion suggest depletion of GSH by CYN could not be a primary mechanism for CYN toxicity, Conversely, pro-treatment with piperonyl butoxide, a P450 inhibitor, protected mice against CYN toxicity giving a survival rate of 10/10 compared with 4/10 in the control group (p < 0.05 Chi squared) and was protective at doses up to 0.8 mg/kg, suggesting activation of CYN by P450 is of primary importance in the mechanism of action. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Redox dysregulation in schizophrenia : implication for oligodendrocyte maturation and structural connectivity

Schizophrenia, which results from an interaction between gene and environmental factors, is a psychiatric disorder characterized by reality distortion. The clinical symptoms, which are generally diagnosed in late adolescence or early adulthood, partly derive from altered brain connectivity especially in prefrontal cortex. Disruption of neuronal networks implies oligodendrocyte and myelin abnormalities in schizophrenia pathophysiology. The mechanisms of these impairments are still unclear. Converging evidences indicate a role of redox dysregulation, generated by an imbalance between pro-oxidants and antioxidant defense mechanisms, in the development of schizophrenia pathophysiology. In particular, genetic and biochemical data indicate impaired synthesis of glutathione, the main cellular antioxidant and redox regulator. As oligodendrocyte maturation is dependent on redox state, we evaluated whether abnormal redox control could contribute to oligodendrocyte and myelin impairments in schizophrenia. We found that glutathione in prefrontal cortex of early psychosis patients and control subjects positively correlated with white matter integrity. We then further explored the interplay between glutathione and myelin using a translational approach. Our data showed that in mice with genetically impaired glutathione synthesis, oligodendrocyte late maturation as well as myelination was delayed in the anterior cingulate cortex. Specifically, oligodendrocyte number and myelin levels were lowered at peripubertal age, coincident in time with the peak of myelin- related gene expression during normal brain development. These data suggest that early adolescence is a vulnerable developmental period during which an adequate redox control is required for oligodendrocyte maturation and active myelination process. Consistently, oxidative stress mediated by psychosocial stress also delayed myelination in peripubertal mice. At cellular levels, impaired glutathione synthesis altered oligodendrocyte development at several levels. Using oligodendrocyte progenitor cells cultures, our data showed that glutathione deficiency was associated with (i) cell cycle arrest and a reduction in oligodendrocyte proliferation, and (ii) an impairment in oligodendrocyte maturation. Abnormal oligodendrocyte proliferation was mediated by upregulation of Fyn kinase activity. Consistently, under oxidative stress conditions, we observed abnormal regulation of Fyn kinase in fibroblasts of patients deficient in glutathione synthesis. Together, our data support that a redox dysregulation due to glutathione deficit could underlie myelination impairment in schizophrenia, possibly mediated by dysregulated Fyn pathway. Better characterization of Fyn mechanisms would pave the way towards new drug targets. -- La schizophrénie est une maladie psychiatrique qui se définit par une distorsion de la perception de la réalité. Les symptômes cliniques sont généralement diagnostiqués durant l'adolescence ou au début de l'âge adulte et proviennent de troubles de la connectivité, principalement au niveau du cortex préfrontal. Les dysfonctionnements des réseaux neuronaux impliquent des anomalies au niveau des oligodendrocytes et de la myéline dans la pathophysiologie de la schizophrénie. Les mécanismes responsables des ces altérations restent encore mal compris. Dans le développement de la schizophrénie, des évidences mettent en avant un rôle de la dérégulation rédox, traduit par un déséquilibre entre facteurs pro-oxydants et défenses antioxydantes. Des données génétiques et biochimiques indiquent notamment un défaut de la synthèse du glutathion, le principal antioxydant et rédox régulateur des cellules. Etant donné que la maturation des oligodendrocytes est dépendante de l'état rédox, nous avons regardé si une dérégulation rédox contribue aux anomalies de la myéline dans le cadre de la schizophrénie. Dans le cortex préfrontal des sujets contrôles et des patients en phase précoce de psychose, nous avons montré que le glutathion était positivement associé à l'intégrité de matière blanche. Afin d'explorer plus en détail la relation entre le glutathion et la myéline, nous avons mené une étude translationnelle. Nos résultats ont montré que des souris ayant un déficit de la synthèse du glutathion présentaient un retard dans les processus de maturation des oligodendrocytes et de la myélinisation dans le cortex cingulaire antérieure. Plus précisément, le nombre d'oligodendrocytes et le taux de myéline étaient uniquement diminués durant la période péripubertaire. Cette même période correspond au pic de l'expression des gènes en lien avec la myéline. Ces données soulignent le fait que l'adolescence est une période du développement particulièrement sensible durant laquelle un contrôle adéquat de l'état rédox est nécessaire aux processus de maturation des oligodendrocytes et de myélinisation. Ceci est en accord avec la diminution de myéline observée suite à un stress oxydatif généré par un stress psychosocial. Au niveau cellulaire, un déficit du glutathion affecte le développement des oligodendrocytes à différents stades. En effet, dans des cultures de progéniteurs d'oligodendrocytes, nos résultats montrent qu'une réduction du taux de glutathion était associée à (i) un arrêt du cycle cellulaire ainsi qu'une diminution de la prolifération des oligodendrocytes, et à (ii) des dysfonctionnements de la maturation des oligodendrocytes. Par ailleurs, au niveau moléculaire, les perturbations de la prolifération étaient générées par une augmentation de l'activité de la kinase Fyn. Ceci est en accord avec la dérégulation de Fyn observée dans les fibroblastes de patients ayant une déficience en synthèse du glutathion en condition de stress oxydatif. Les résultats de cette thèse soulignent qu'une dérégulation rédox induite par un déficit en glutathion peut contribuer aux anomalies des oligodendrocytes et de la myéline via le dysfonctionnement des voies de signalisation Fyn. Une recherche plus avancée de l'implication de Fyn dans la maladie pourrait ouvrir la voie à de nouvelles cibles thérapeutiques.

Jasmonate controls polypeptide patterning in undamaged tissue in wounded Arabidopsis leaves.

Wounding initiates a strong and largely jasmonate-dependent remodelling of the transcriptome in the leaf blades of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). How much control do jasmonates exert on wound-induced protein repatterning in leaves? Replicated shotgun proteomic analyses of 2.5-mm-wide leaf strips adjacent to wounds revealed 106 differentially regulated proteins. Many of these gene products have not emerged as being wound regulated in transcriptomic studies. From experiments using the jasmonic acid (JA)-deficient allene oxide synthase mutant we estimated that approximately 95% of wound-stimulated changes in protein levels were deregulated in the absence of JA. The levels of two tonoplast proteins already implicated in defense response regulation, TWO-PORE CHANNEL1 and the calcium-V-ATPase ACA4 increased on wounding, but their transcripts were not wound inducible. The data suggest new roles for jasmonate in controlling the levels of calcium-regulated pumps and transporters, proteins involved in targeted proteolysis, a putative bacterial virulence factor target, a light-dependent catalyst, and a key redox-controlled enzyme in glutathione synthesis. Extending the latter observation we found that wounding increased the proportion of oxidized glutathione in leaves, but only in plants able to synthesize JA. The oxidizing conditions generated through JA signaling near wounds help to define the cellular environment in which proteome remodelling occurs.

Redox dysregulation, neurodevelopment, and schizophrenia.

In schizophrenia, a developmental redox dysregulation constitutes one 'hub' on which converge genetic impairments of glutathione synthesis and environmental vulnerability factors generating oxidative stress. Their timing at critical periods of neurodevelopment could play a decisive role in inducing impairment of neural connectivity and synchronization as observed in schizophrenia. In experimental models, such redox dysregulation induces anomalies strikingly similar to those observed in patients. This is mediated by hypoactive NMDA receptors, impairment of fast-spiking parvalbumin GABA interneurons and deficit in myelination. A treatment restoring the redox balance without side effects yields improvements of negative symptoms in chronic patients. Novel interventions based on these mechanisms if applied in early phases of the disease hold great therapeutic promise.

A la recherche de symptômes de désorientation dépendant d'un déficit d'intégration multisensorielle chez l'animal : un éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la schizophrénie

Abstract Fundamental research in psychiatric neurosciences assumes that psychiatric disorders are associated with neurobiological factors. Identification of these factors would provide therapeutic targets as well as a better understanding of the relationship between- brain and behaviour in pathological processes. We conducted experiments in an animal model of schizophrenia. Several behavioural tasks were used to evaluate spatial and working memory in these animals. The model is based on glutathione deficit during cerebral development. Indeed, a 50% decrease of glutathione has been reported in prefrontal cortex of patients with schizophrenia. Glutathione is a major antioxidant in the brain and its deficit could lead to abnormal brain connectivity. The glutathione deficit was induced in rats by perinatal (PS-P16) subcutaneous injections with Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione synthesis. This treatment leads to a transitory 50% glutathione levels during brain development. In parallel, we conducted behavioural testing in rats with a medial prefrontal cortex lesion. This allowed us to compare early damage induced by BSO treatment with a focal lesion in adults of a brain area known to present anomalies in schizophrenia. Finally, we conducted a series of experiments in senescent rats to evaluate if cognitive deficits could be related to neurobiological changes. Our results show that an early glutathione deficit provokes cognitive deficits in adulthood. These spatial and working memory deficits resemble the cognitive deficits observed in schizophrenia. The comparison with prefrontal rats revealed that the early brain glutathione deficit provoked more severe cognitive deficits than the prefrontal lesion in adult rats. Moreover, in both cases, we observed a dissociation in memory deficits depending on the type of locomotion that was used in behavioural experiments. Indeed, BSO treated rats as well as prefrontal rats showed place learning or working memory deficits in tasks conducted on dry surfaces where they had to walk. In contrast, they showed no deficit when the same cognitive functions were tested in the water maze. This dissociation might be sustained by a difference in requirement of sensory integration between walking and swimming tasks. Résumé La recherche fondamentale en neurosciences psychiatriques repose sur le présupposé selon lequel les symptômes manifestés dans les troubles psychiatriques auraient des concomitants neurobiologiques. Ceux-ci, une fois identifiés, offriraient des cibles pour une démarche thérapeutique ainsi que des modèles permettant de mieux comprendre les soubassements biologiques du comportement et des activités mentales. Nos expériences s'articulent autour de la question de la modélisation de la schizophrénie chez l'animal. Nous avons recherché chez ces animaux des troubles cognitifs et sensoriels associés à la schizophrénie. En effet, chez l'homme comme chez l'animal, la mémoire spatiale et la mémoire de travail dépendent fortement de la capacité d'intégration et d'organisation des informations sensorielles. Les premières expériences ont été menées suite à une perturbation périnatale du développement cérébral. Celle-ci visait à reproduire une diminution du taux de glutathion dans le cerveau, des recherches précédentes ayant observé une diminution de 50% du taux de glutathion dans le cortex préfrontal de patients schizophrènes. Le glutathion étant un antioxydant majeur dans le cerveau, son déficit pourrait conduire à des perturbations de la circuiterie cérébrale. Nous avons reproduit ce déficit chez le rat, par injection de Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), un inhibiteur de la synthèse du glutathion... Ce traitement a été administré pendant la période périnatale (du jour postnatal 5 au jour 16) provoquant une diminution de 50% du taux de glutathion. Nous avons ensuite évalué lës répercussions de cette atteinte précoce sur le comportement des rats à l'âge adulte. Ce modèle s'inscrit donc dans l'hypothèse neurodéveloppementale qui associe la schizophrénie à une atteinte du développement cérébral normal. Nous avons ensuite conduit des expériences similaires chez des rats ayant subi une lésion du cortex préfrontal pour comparer les répercussions du traitement périnatal avec une lésion, à l'âge adulte, d'une aire cérébrale connue pour présenter des anomalies chez les patients. Finalement, nous avons évalué si les processus sensoriels et cognitifs précédemment étudiés pouvaient également être affectés lors du vieillissement normal en recherchant des corrélats biologiques des déficits de mémoire liés à l'âge avancé. Nos résultats montrent que ce déficit précoce en glutathion peut avoir des répercussions surale comportement à l'âge adulte. On a relevé une similarité avec les déficits cognitifs associés.à la schizophrénie, incluant des déficits de mémoire de travail ainsi que des déficits de mémoire spatiale. Ces déficits étaient fortement liés au type de locomotion utilisée et n'ont été observés que dans les tâches où les animaux devaient rejoindre un but en marchant mais pas dans lés tests dans lesquels ils devaient localiser une cible en nageant. Les déficits induits par la lésion préfrontale chez l'adulte étaient beaucoup plus légers que ceux découlant de l'atteinte périnatale mais présentaient une dissociation analogue en fonction du type de locomotion. De plus, des tests similaires menés au cours du vieillissement confirment que la mémoire de travail peut être affectée sélectivement par le vieillissement dans une tâche où les animaux doivent marcher, tout en restant intacte dans le bassin de Morris. Les déficits cognitifs liés au vieillissement étaient significativement corrélés à des différences de niveaux des protéines post-synaptiques PSD95 (postsynaptic density 95). L'ensemble des résultats montre que les tests qui sont fréquemment utilisés pour évaluer la mémoire chez l'animal pourraient faire appel à des processus différents. Cette différence pourrait notamment tenir au niveau d'intégration sensorielle requis pour résoudre la tâche, qui est particulièrement sollicitée au cours d'une locomotion intermittente.

Redox dysregulation in schizophrenia : effect on myelination of cortical structures and connectivity

Cette thèse traite du rôle qu'un facteur de risque génétique développé chez les patients souffrant de schizophrénie, à savoir un déficit de la synthèse du glutathion, peut jouer dans les anomalies de la connectivité cérébrale trouvées chez ces patients. L'essentiel du travail a été consacré à évaluer la structure de la substance blanche dans l'ensemble du cerveau chez un modèle animal par une méthode similaire à celle utilisée en recherche clinique avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette approche de translation inverse chez la souris knock-out de glutamate-cystéine ligase modulateur sous-unité (Gclm KO), avait l'objectif d'étudier l'effet des défenses redox déficientes sur le développement des connexions cérébrales, tout en excluant celui des facteurs non liés au génotype. Après avoir établi le protocole de recherche, l'influence d'une manipulation environnementale a également été étudiée. Pour effectuer une analyse statistique fiable des données d'IRM obtenues, nous .avons d'abord créé un atlas du cerveau de la souris afin de l'utiliser comme modèle pour une segmentation précise des différentes régions du cerveau sur les images IRM obtenues in vivo. Les données provenant de chaque région d'intérêt ont ensuite été étudiées séparément. La qualité de cette méthode a été évaluée dans une expérience de simulation pour déduire la puissance statistique réalisable dans chaque région en fonction du nombre d'animaux utilisés. Ces outils d'analyse nous ont permis d'évaluer l'intégrité de la substance blanche dans le cerveau des souris durant le développement grâce à une expérience longitudinale, en utilisant l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI). Nous avons ainsi observé des anomalies dans les paramètres dérivés du tenseur (diffusivité et anisotropie) dans la Commissure Antérieure et le Fimbria/Fornix des souris Gclm KO, par rapport aux animaux contrôles. Ces résultats suggèrent une substance blanche endommagée dans ces régions. Dans une expérience électrophysiologique, Pascal Steullet a montré que ces anomalies ont des conséquences fonctionnelles caractérisées par une réduction de la vitesse de conduction dans les fibres nerveuses. Ces données renforcent les conclusions des analyses d'imagerie. Le mécanisme par lequel une dérégulation redox affecte la structure de la substance blanche reste encore à définir, car une analyse immunohistochimique des protéines constituantes de la couche de myéline des fibres concernées n'a pas donné de résultats concluants. Nous avons également constaté un élargissement des ventricules dans les jeunes souris Gclm KO, mais pas chez les adultes et des anomalies neurochimiques déjà connues chez ces animaux (Duarte et al. 2011), à savoir une réduction du Glutathion et une augmentation de l'acide N-acétylaspartique, de l'Alanine et du ratio Glutamine/Glutamate. Nous avons ensuite testé l'effet d'un stress environnemental supplémentaire, l'élevage en isolement social, sur le phénotype. Ce stress n'a eu aucun effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, mais a réduit la concentration de myo-Inositol et augmenté le ratio de Glutamine/Glutamate dans le cortex frontal. Nous avons aussi reproduit dans ce groupe indépendant d'animaux les effets du génotype sur le profil neurochimique, sur la taille des ventricules et aussi sur les paramètres dérivés du tenseur de diffusion dans le Fimbria/Fornix, mais pas dans la Commissure Antérieure. Nos résultats montrent qu'une dérégulation redox d'origine génétique perturbe la structure et la fonction de la substance blanche dans des régions spécifiques, causant ainsi l'élargissement des ventricules. Ces phénotypes rassemblent certaines caractéristiques neuro-anatomiques de la schizophrénie, mais les mécanismes qui en sont responsables demeurent encore inconnus. L'isolement social n'a pas d'effet sur la structure de la substance blanche évaluée par DTI, alors qu'il est prouvé qu'il affecte la maturation des oligodendrocytes. La neurochimie corticale et en particulier le rapport Glutamine/Glutamate a été affecté par le dérèglement redox ainsi que par l'isolement social. En conséquence, ce ratio représente un indice prometteur dans la recherche sur l'interaction du stress environnemental avec le déséquilibre redox dans le domaine de la schizophrénie. -- The present doctoral thesis is concerned with the role that a genetic risk factor for the development of schizophrenia, namely a deficit in Glutathione synthesis, may play in the anomalies of brain connectivity found in patients. Most of the effort was devoted to perform a whole-brain assessment of white matter structure in the Glutamate-Cysteine ligase modulatory knockout mouse model (Gclm KO) using Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniques similar to those used in state-of-the-art clinical research. Such reverse translational approach taking brain imaging from the bedside to the bench aimed to investigate the role that deficient redox defenses may play in the development of brain connections while excluding all influencing factors beside the genotype. After establishing the protocol, the influence of further environmental manipulations was also studied. Analysis of MRI images acquired in vivo was one of the main challenges of the project. Our strategy consisted in creating an atlas of the mouse brain to use as segmentation guide and then analyze the data from each region of interest separately. The quality of the method was assessed in a simulation experiment by calculating the statistical power achievable in each brain region at different sample sizes. This analysis tool enabled us to assess white matter integrity in the mouse brain along development in a longitudinal experiment using Diffusion Tensor Imaging (DTI). We discovered anomalies in diffusivity parameters derived from the tensor in the Anterior Commissure and Fimbria/Fornix of Gclm KO mice when compared to wild-type animals, which suggest that the structure of these tracts is compromised in the KO mice. In an elegant electrophysiological experiment, Pascal Steullet has provided evidence that these anomalies have functional consequences in form of reduced conduction velocity in the concerned tracts, thus supporting the DTI findings. The mechanism by which redox dysregulation affects WM structure remains unknown, for the immunohistochemical analysis of myelin constituent proteins in the concerned tracts produced inconclusive results. Our experiments also detected an enlargement of the lateral ventricles in young but not adult Gclm KO mice and confirmed neurochemical anomalies already known to affect this animals (Duarte et al. 2011), namely a reduction in Glutathione and an increase in Glutamine/Glutamate ratio, N-acetylaspartate and Alanine. Using the same methods, we tested the effect of an additional environmental stress on the observed phenotype: rearing in social isolation had no effect on white matter structure as assessed by DTI, but it reduced the concentration of myo-Inositol and increased the Glutamine/Glutamate ratio in the frontal cortex. We could also replicate in this separate group of animals the effects of genotype on the frontal neurochemical profile, ventricular size and diffusivity parameters in the Fimbria/Fornix but not in the Anterior Commissure. Our data show that a redox dysregulation of genetic origin may disrupt white matter structure and function in specific tracts and cause a ventricular enlargement, phenotypes that resemble some neuroanatomical features of schizophrenia. The mechanism responsible remains however unknown. We have also demonstrated that environmental stress in form of social isolation does not affect white matter structure as assessed by DTI even though it is known to affect oligodendrocyte maturation. Cortical neurochemistry, and specifically the Glutamine to Glutamate balance was affected both by redox dysregulation and social isolation, and is thus a good target for further research on the interaction of redox imbalance and environmental stress in schizophrenia.

Importance du stress oxydant dans le diabète secondaire à la fibrose kystique

Introduction : La fibrose kystique (FK) est une maladie génétique mortelle qui touche principalement les poumons et l’appareil digestif. Elle est causée par des mutations sur le gène codant la protéine du CFTR, un canal chlore exprimé à la surface des organes à sécrétions exocrines. Les fonctions principales du CFTR sont les suivantes: 1) la régulation de l’homéostasie ionique des sécrétions; 2) le maintien de la fluidité des sécrétions et; 3) le transport du glutathion. Le dysfonctionnement de la protéine du CFTR rend les sécrétions visqueuses et épaisses, avec des phénomènes obstructifs qui sont responsables de l’apparition de fibrose au sein des divers organes. Dans le poumon, l’accumulation du mucus épais rend difficile l’élimination des bactéries inhalées, ces dernières établissent alors des cycles d’infection qui endommagent les tissus pulmonaires à travers des processus inflammatoires. Dans le tube digestif, le mucus épais entrave l’absorption d’une quantité suffisante d’éléments nutritifs incluant les principaux antioxydants. L’infection et l’inflammation des poumons favorisent l’apparition d’un stress oxydant qui détruit davantage le tissu pulmonaire. Le déficit en glutathion, probablement lié au dysfonctionnement de la proteine du CFTR, et la malabsorption des antioxydants favorisent l’augmentation du stress oxydant. Une augmentation du stress oxydant a été démontrée au cours du diabète et les produits dérivés du stress oxydant ont été mis en évidence dans la pathogenèse des complications associées au diabète. Une augmentation du stress oxydant a également été montrée durant la FK, mais sans pour autant expliquer la survenue du diabète secondaire à la FK dont la prévalence augmente sans cesse. Objectifs : Notre étude consiste à évaluer l’impact du stress oxydant dans les anomalies du métabolisme du glucose durant la FK, et à étudier son rôle dans les mécanismes de sécrétion d’insuline induite par le glucose. Pour ce faire, nous avons déterminé l’impact de la peroxydation lipidique sur la tolérance au glucose et la défense antioxydante globale, in vivo, chez des patients FK présentant une altération du métabolisme du glucose. De plus, nous avons évalué le rôle du stress oxydatif sur la synthèse et la sécrétion d’insuline, in vitro, dans les cellules pancréatiques βTC-tet. Résultats : Dans l’étude in vivo, nous avons démontré que l’intolérance au glucose et le diabète étaient associés à une augmentation de la peroxydation lipidique, traduite par la hausse des niveaux sanguins de 4-hydroxynonenal lié aux protéines (HNE-P). La défense antioxydante évaluée par la mesure du glutathion sanguin démontre que les niveaux de glutathion oxydé restent également élevés avec l’intolérance au glucose. Dans l’étude in vitro, nos résultats ont mis en évidence que l’exposition de la cellule βTC-tet au stress oxydant: 1) induit un processus de peroxydation lipidique; 2) augmente la sécrétion basale d’insuline; 3) diminue la réponse de la sécrétion d’insuline induite par le glucose; et 4) n’affecte que légèrement la synthèse de novo de l’insuline. Nous avons aussi démontré que les cellules pancréatiques βTC-tet résistaient au stress oxydant en augmentant leur synthèse en glutathion tandis que la présence d’un antioxydant exogène pouvait restaurer la fonction sécrétoire de ces cellules. Conclusion : Le stress oxydant affecte le fonctionnement de la cellule pancréatique β de plusieurs manières : 1) il inhibe le métabolisme du glucose dont les dérivés sont nécessaires à la sécrétion d’insuline; 2) il active la voie de signalisation impliquant les gènes pro-inflammatoires et; 3) il affecte l’intégrité membranaire en induisant le processus de peroxydation lipidique.

Untersuchungen über die Redoxregulation der Glutathionsynthese und Charakterisierung von Glutaredoxinen in Spinat

Die an der Glutathionsynthese im Chloroplasten von Spinatblättern beteiligten Enzyme sind auf eine lichtabhängige Regulation durch Thioredoxine (Trx) und Glutaredoxine (Grx) hin untersucht worden. Dazu wurde eine neue, vereinfachte Methode zur Aktivitätsbestimmung für die gamma-Glutamylcystein- und Glutathionsynthetase auf der Kapillarelektrophorese entwickelt. Untersuchungen mit den homologen Thioredoxinen Trx m und Trx f aus Spinatchloroplasten und mit dem E.coli Trx und E.coli Grx 1 zeigten, dass bei beiden Enzymen keine Redoxmodulation durch diese Proteine stattfindet. Weitere Untersuchungen mit der Glutathionsynthetase zeigten keinen Einfluss von Dithiothreit, Sulfit-Ionen und Ascorbat auf die Enzymaktivität. Nur H2O2, in unphysiologischen Konzentrationen, bewirkte eine leichte Abnahme der Ausgangsaktivität. Im Fall der gamma-Glutamylcysteinsynthetase konnten verschiedene Einflüsse ausgemacht werden. So war mit Dithiothreit und H2O2 bei niedrigen Konzentrationen eine Stimulation und bei höheren Konzentration eine Inhibition der Enzymaktivität festzustellen: Sulfit-Ionen zeigten eine starke Stimulierung der gamma-Glutamylcysteinsynthetase über einen weiten Konzentrationsbereich, wobei eine starke pH-Wert-Abhängigkeit der Stimulation zu beobachten war. Ascorbat zeigte, wie bei der Glutathionsynthetase, keinen Einfluss auf die Enzymaktivität der gamma-Glutamyl-cysteinsynthetase. In einem zweiten Teil der Arbeit über die Glutaredoxine des Spinats konnte ein 12,4 kDa Protein mit Thioltransferase-Aktivität, das bisher als cytosolisches Glutaredoxin beschrieben wurde, aufgereinigt und mittels N-terminaler Sequenzierung eindeutig als ein Glutaredoxin identifiziert werden. Überdies konnte ein noch nicht beschriebenes 12,8 kDa Protein mit Thioltransferase-Aktivität aus Spinatchloroplasten aufgereinigt werden. Durch Peptid-Sequenzierung gelang es dieses Protein auch als ein Glutaredoxin zu identifizieren. Beide pflanzlichen Glutaredoxine zeigten keine Modulation der Aktivitäten der chloroplastidären Fructosebisphosphatase (FbPase) und NADPH-Malatdehydrogenase (NADPH-MDH). Auch war mit beiden Glutaredoxinen keine Dehydroascorbatreduktase-Aktivität, oder eine Stimulation der Ribonucleotidreduktase aus Lactobacillus leichmannii festzustellen.

Avaliação da atividade da fibra alimentar de Typha angustifolia L. e des seus efeitos sinérgicos com a prednisolona no modelo de colite ulcerativa induzida por ácido trinitrobenzenosulfônico em ratos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeito modulador da glutationa na liberação de gaba induzida por glutamato em retinas de embrião de galinha

O ácido γ-aminobutírico (GABA) e o glutamato são, respectivamente, os principais neurotransmissores inibitório e excitatório no Sistema Nervoso Central (SNC) e são fundamentais para o processamento visual. Estudos revelam que o glutamato induz liberação de GABA na retina. Trabalhos prévios também apontam que compostos tióis regulam a liberação de GABA, mas ainda não são totalmente esclarecidos os efeitos de tióis (-SH) sobre os níveis endógenos deste neurotransmissor na retina. Neste intermédio, a glutationa (GSH) além de ser o mais importante dos compostos tióis, vem demonstrando exercer um papel neuromodulador na liberação de neurotransmissores. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar um possível efeito modulador de GSH sobre a liberação de GABA mediada por glutamato em retinas de embrião de galinha. Para isso, utilizamos como modelo experimental tecido retiniano íntegro de embrião de galinha, com sete ou oito dias de desenvolvimento. Nos ensaios de liberação de GABA, as retinas foram tratadas com GSH (100 e 500 μM); glutamato (50 e 500 μM) e Butionina Sulfoximina (BSO), inibidor da síntese de glutationa, (50 μM) por 15 minutos, e os níveis de GABA liberado para o meio extracelular foram quantificados por Cromatografia Líquida de Alta Eficácia (CLAE). Para experimentos de liberação de compostos tióis (–SH), as retinas foram incubadas com glutamato (100 μM) com ou sem Na+ por 15 minutos, e os seus níveis extracelulares foram determinados pela reação com DTNB e quantificados por espectrofotometria (412 nm). Os resultados revelam que o glutamato, assim como GSH, liberam GABA. Nossos dados também demonstram que BSO atenua a liberação de GABA promovida por glutamato. Além disso, demonstramos que glutamato induz liberação de compostos tióis independentemente de sódio. Sendo assim, é sabido que glutamato é capaz de liberar GABA e tióis; dentre estes, GSH é o mais abundante e responsável por também liberar GABA. Sabe-se também que uma vez inibida a síntese de GSH por BSO, a liberação de GABA induzida por glutamato é atenuada. Então, se sugere uma possível modulação de GSH na liberação de GABA induzida por glutamato, em retinas íntegras de embrião de galinha.