Synthesis of new enzyme stabilisers inspired by compatible solutes of hyperthermophilic microorganisms

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering Sciences and Technology.

Assembly and function of a protein cross-linking enzyme during bacterial spore morphogenesis

Sporulation in Bacillus subtilis culminates with the formation of a dormant endospore. The endospore (or spore) is one of the most resilient cell types known and can remain viable in the environment for extended periods of time. Contributing to the spore’s resistance and its ability to interact with and monitor its immediate environment is the coat, the outermost layer of B. subtilis spores. The coat is composed by over 70 different proteins, which are produced at different stages in sporulation and orderly assembled around the developing spore.(...)

Small ubiquitin-like modifier conjugating enzyme with active site mutation acts as dominant negative inhibitor of SUMO conjugation in arabidopsis(F).

Small ubiquitin-like modifier (SUMO) conjugation affects a broad range of processes in plants, including growth, flower initiation, pathogen defense, and responses to abiotic stress. Here, we investigate in vivo and in vitro a SUMO conjugating enzyme with a Cys to Ser change in the active site, and show that it has a dominant negative effect. In planta expression significantly perturbs normal development, leading to growth retardation, early flowering and gene expression changes. We suggest that the mutant protein can serve as a probe to investigate sumoylation, also in plants for which poor genetic infrastructure precludes analysis via loss-of-function mutants.

The clinical application of converting enzyme inhibitors.

Chronic blockade of the renin angiotensin system became possible when orally active inhibitors of angiotensin converting enzyme, the enzyme which catalyzes the transformation of angiotensin I into angiotensin II, were synthetized. Two compounds, captopril and enalapril, have been investigated in clinical studies. The decrease of the pressor response to exogenous angiotensin I and of the circulating levels of angiotensin II following administration of these inhibitors has been demonstrated to be directly related to the degree of suppression of plasma angiotensin converting enzyme activity. These inhibitors have been shown to normalize blood pressure alone in some hypertensive patients whereas in many others, satisfactory blood pressure control can be achieved only after the addition of a diuretic. Captopril and enalapril also markedly improve cardiac function of patients with chronic congestive heart failure. Chronic blockade of the renin angiotensin system has therefore provided an interesting new approach to the treatment of clinical hypertension and heart failure.

The Peroxisomal Enzyme L-PBE Is Required to Prevent the Dietary Toxicity of Medium-Chain Fatty Acids.

Specific metabolic pathways are activated by different nutrients to adapt the organism to available resources. Although essential, these mechanisms are incompletely defined. Here, we report that medium-chain fatty acids contained in coconut oil, a major source of dietary fat, induce the liver ω-oxidation genes Cyp4a10 and Cyp4a14 to increase the production of dicarboxylic fatty acids. Furthermore, these activate all ω- and β-oxidation pathways through peroxisome proliferator activated receptor (PPAR) α and PPARγ, an activation loop normally kept under control by dicarboxylic fatty acid degradation by the peroxisomal enzyme L-PBE. Indeed, L-pbe(-/-) mice fed coconut oil overaccumulate dicarboxylic fatty acids, which activate all fatty acid oxidation pathways and lead to liver inflammation, fibrosis, and death. Thus, the correct homeostasis of dicarboxylic fatty acids is a means to regulate the efficient utilization of ingested medium-chain fatty acids, and its deregulation exemplifies the intricate relationship between impaired metabolism and inflammation.

The investigation of the reduction mechanism of the 5a-reductase enzyme of Penicillium decumbens /

The 5a-reductase of Penicillium decumbens ATCC 10436 was used as a model for the mammalian enzyme to investigate the mechanism of reduction of testosterone to 5adihydrotestosterone . The purpose of this study was to search for specific 5a-reductase inhibitors which antagonize prostate cancer . In a whole-cell biotransformation mode, this organism reduced testosterone (1) to 5a-dihydrosteroids (8) and 5aandrostane- 3, 17-dione (9) in yields of 28% and 37% respectively. Control experiments have shown that 5aandrostane- 3, 17-dione (9) can be produced from the corresponding alcohol (8) in a subsequent reaction separate from that catalysed by the 5a-reductase enzyme . Androst-4- ene-3, 17-dione (2) is reduced to give only (9) with a recovery of 80% The stereochemistry of the reduction was determined by 500 MHz ^H NMR analysis of the products resulting from the deuterium labelled substrates. The results were obtained by an analysis of the NOE difference spectra, double-quantum filtered phase sensitive COSY 2-D spectra, and ^^c-Ir 2-D shift correlation spectra of deuterium labelled products. According to the unambiguous assignment of the signals due to H-4a and H-4Ii in 5a-dihydro steroids, the NMR data show clearly that addition of hydrogen to the 4{5)K bond has occurred in a trans manner at positions 413 and 5a. To Study the reduction mechanism of this enzyme, several substrates were prepared as following; 3-methyleneandrost-4-en- 17fi-ol(3), androst-4-en-17i5-ol(5) , androst-4-en-3ii, 17fi-diol (6) and 4, 5ii-epoxyandrostane-3, 17-dione (7) . Results suggest that this enzyme system requires an oxygen atom at the 3-position of the steroid in order to bind the substrate. Furthermore, the mechanism of this 5a-reductase may proceed via direct addition of hydrogen at the 4,5 position without involvement of a carbonyl group as an intermediate.

Immuno-gluorescence study of five zygomycetous fungi with two chitin-binding probes

A polyclonal antiserum was prepared against a purified microsomal chitinase isolated from the fungus Choanephora cucurbitarum. Indirect immunofluorescence was used to localize chitinase at various developmental stages of five zygomycetous fungi and during abiotrophic mycoparasite interaction with a susceptible and resistant host. This was compared to localization of oligomers of N-acetylglucosamine with the lectin wheat germ agglutinin (WGA). Dotimmunoblot and Western blot techniques revealed that the anti-serum reacted strongly with the antigen from which it was derived. Cross reactivity of the antiserum was found with WGA and another chitin binding lectin, Phyto/acca americana agglutinin (PAA). Immuno-fluorescence results showed the direct involvement of chitinase in spore swelling, germination, sporangium development and response during mechanical injury. There appeared to be no involvement of chitinase during apical hyphal growth or new branch initiation in any of the fungi tested despite mild proteolysis and permeabilization of the cell surface prior to labelling. Binding with WGA revealed similar patterns of fluorescence to that of chitinase localization but differed by showing fluorescence and therefore chitin localization at the apex and new branch initiation when tested at different developmental stages. There was no difference between chitinase localization and binding with WGA in a susceptible host and resistant host challenged with the mycoparasite, Piptocephalis virginiana. Differences in binding ability of antichitinase and lectin WGA suggests that the latter is not a suitable indicator for indirect localization of the lytic enzyme, chitinase.

Molecular cloning restriction enzyme analysis, bovine adenovirus type 2 genome

Adenoviruses are non-enveloped icosahedral-shaped particles which possess a double-stranded DNA genome. Currently, nearly 100 serotypes of adenoviruses have been identified, 48 of which are of human origin. Bovine adenoviruses (BAVs), causing both mild respiratory and/or enteral diseases in cattle, have been reported in many countries all over the world. Currently, nine serotypes of SAVs have been isolated which have been placed into two subgroups based on a number of characteristics which include complement fixation tests as well as the ability to replicate in various cell lines. Bovine adenovirus type 2 (BAV2), belonging to subgroup I, is able to cause pneumonia as well as pneumonic-like symptoms in calves. In this study, the genome of BAV2 (strain No. 19) was subcloned into the plasmid vector pUC19. In total, 16 plasmids were constructed; three carry internal San fragments (spanning 3.1 to 65.2% ), and 10 carry internal Pstl fragments (spanning 4.9 to 97.4%), of the viral genome. Each of these plasmids was analyzed using twelve restriction endonucleases; BamHI, CiaI, EcoRl, HiOOlll, Kpnl, Noll, NS(N, Ps~, Pvul, Saj, Xbal, and Xhol. Terminal end fragments were also cloned and analyzed, sUbsequent to the removal of the 5' terminal protein, in the form of 2 BamHI B fragments, cloned in opposite orientations (spanning 0 to 18.1°k), and one Pstll fragment (spanning 97.4 to 1000/0). These cloned fragments, along with two other plasmids previously constructed carrying internal EcoRI fragments (spanning 20.6 to 90.5%), were then used to construct a detailed physical restriction map using the twelve restriction endonucleases, as well as to estimate the size of the genome for BAV2(32.5 Kbp). The DNA sequences of the early region 1 (E1) and hexon-associated gene (protein IX) have also been determined. The amino acid sequences of four open reading frames (ORFs) have been compared to those of the E1 proteins and protein IX from other Ads.

The regulation of oat coleoptile phosphoenolpyruvate carboxylase and malic enzyme by Hâ ½ and metabolites : kinetic evidence for and against a cytosolic pH-stat

Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and malic enzyme activities in soluble protein extracts of Avena coleoptiles were investigated to determine whether their kinetics were consistent with a role in cytosol pH regulation. Malic enzyme activity was specific for NADP+ and Mn2+. Maximal labelled product formation from [14C]-substrates required the presence of all coenzymes, cofactors and substrates. Plots of rate versus malate concentration, and linear transformations there- 2 of, indicated typical Michaelis-Menten kinetics at non-saturating malate levels and substrate inhibition at higher malate levels. pH increases between 6.5 and 7.25 increased near-optimal activity, decreased the degree of substrate inhibition and the Kmapp(Mn2+) but did not affect the Vmax or Kmapp(malate). Transformed data of PEPC activity demonstrated non-linear plots indicative of non-Michaelian kinetics. pH increases between 7.0 and 7.6 increased the Vmax and decreased the Km app (Mg2+) but did not affect the Kmapp(PEP). Various carboxylic acids and phosphorylated sugars inhibited PEPC and malic enzyme activities, and these effects decreased with pH increases. Metabolite inhibited malic enzyme activity was non-competitive and resulted mainly from Mn2+ chelation. In contrast, metabolite inhibited PEPC activity was unique for each compound tested, being variously dependent on the PEP concentration and the pH employed. These results indicate that fluctuations in pH and metabolite levels affect PEPC and malic enzyme activities similarly and that 3 the in vitro properties of PEPC are consistent with its proposed role in a pH-stat, whereas the in vitro properties of the malic enzyme cannot be interpreted in terms of a role in pH regulation.

Regulation of microsomal prostaglandin E2 synthase-1 and 5-lipoxygenase-activating protein/5-lipoxygenase by 4-hydroxynonenal in human osteoarthritic chondrocytes

L’arthrose (OA) est une maladie dégénérative et multifactorielle caractérisée par une destruction de cartilage, une formation d’ostéophytes et une inflammation au niveau de la membrane synoviale. Le 4-hydroxynonénal (HNE), un produit final de la peroxydation lipidique, a été identifié récemment comme un facteur catabolique et un médiateur inflammatoire dans le cartilage arthrosique humain. Notre projet vise à étudier l’effet du HNE sur la régulation de la prostaglandine E2 synthase-1 microsomale (mPGES-1) et de la protéine activante 5-lipoxygénase (FLAP)/5-lipoxygénase (5-LOX) dans les chondrocytes arthrosiques humains. Lorsque les cellules sont traitées une seule fois avec 10 µM HNE, les résultats de Western blot et de PCR en temps réel montrent que l’expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2) et de la mPGES-1 augmente de manière significative et atteint respectivement le maximum après 8 et 16 heures d’incubation puis diminue graduellement. Cependant, lorsque les cellules sont traitées plusieurs fois avec 10 µM HNE à 2 heures d’intervalle, l’expression de la COX-2 et de la mPGES-1 augmente en fonction du temps sans subir une baisse après 24 heures d’incubation. Le HNE induit l’activité du promoteur de la mPGES-1 via l’activation du facteur de transcription Egr-1. L’investigation de la 2ème voie du métabolisme de l’acide arachidonique, à savoir 5-LOX/FLAP, montre que le HNE induit l’expression de FLAP après 24 heures de stimulation et celle de 5-LOX seulement après 48 heures. Ceci semble survenir à l’étape de transcription au cours de laquelle HNE induit l’expression de l’ARNm et l’activité du promoteur du gène 5-LOX. Nous avons démontré aussi que le niveau de leukotriène B4 (LTB4) augmente et suit le même profil que celui de la 5-LOX. L’étude des mécanismes moléculaires susceptibles d’être impliqués dans la régulation de la 5-LOX/FLAP par le HNE montre que ce dernier stimule leur expression via l’action de prostaglandine E2 (PGE2) et du facteur de croissance transformant-beta 1 (TGF-β1). En conclusion, notre étude démontre que le HNE induit à court-terme d’incubation la voie de COX-2/mPGES-1 puis par la suite stimule celle de FLAP/5-LOX à long-terme d’incubation dans les chondrocytes arthrosiques humains. Ces résultats suggèrent que la mPGES-1 et 5-LOX/FLAP sont des potentielles cibles thérapeutiques intéressantes pour contrôler la production de PGE2 et LTB4 dans OA.

The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Characterization of the AP endonuclease enzyme APN-1 from C. elegans

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Développement d'un microréacteur à base d'enzyme protéolytique réticulée avec le glutaraldéhyde pour la cartographie peptidique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal