Localization and functional characterization of iridoid biosynthetic genes in Catharanthus roseus /

Catharanthus roseus is the sole biological source of the medicinal compounds vinblastine and vincristine. These chemotherapeutic compounds are produced in the aerial organs of the plant, however they accumulate in small amounts constituting only about 0.0002% of the fresh weight of the leaf. Their limited biological supply and high economical value makes its biosynthesis important to study. Vinblastine and vincristine are dimeric monoterpene indole alkaloids, which consists of two monomers vindoline and catharanthine. The monoterpene indole alkaloids (MIA's) contain a monoterpene moiety which is derived from the iridoid secologanin and an indole moiety tryptamine derived from the amino acid tryptophan. The biosynthesis of the monoterpene indole alkaloids has been localized to at least three cell types namely, the epidermis, the laticifer and the internal phloem assisted parenchyma. Carborundum abrasion (CA) technique was developed to selectively harvest epidermis enriched plant material. This technique can be used to harvest metabolites, protein or RNA. Sequencing of an expressed sequence tagged (EST) library from epidermis enriched mRNA demonstrated that this cell type is active in synthesizing a variety of secondary metabolites namely, flavonoids, lipids, triterpenes and monoterpene indole alkaloids. Virtually all of the known genes involved in monterpene indole alkaloid biosynthesis were sequenced from this library.This EST library is a source for many candidate genes involved in MIA biosynthesis. A contig derived from 12 EST's had high similarity (E'^') to a salicylic acid methyltransferase. Cloning and functional characterization of this gene revealed that it was the carboxyl methyltransferase imethyltransferase (LAMT). In planta characterization of LAMT revealed that it has a 10- fold enrichment in the leaf epidermis as compared to the whole leaf specific activity. Characterization of the recombinant enzyme revealed that vLAMT has a narrow substate specificity as it only accepts loganic acid (100%) and secologanic acid (10%) as substrates. rLAMT has a high Km value for its substrate loganic acid (14.76 mM) and shows strong product inhibition for loganin (Kj 215 |iM). The strong product inhibition and low affinity for its substrate may suggest why the iridoid moiety is the limiting factor in monoterpene indole alkaloid biosynthesis. Metabolite profiling of C. roseus organs shows that secologanin accumulates within these organs and constitutues 0.07- 0.45% of the fresh weight; however loganin does not accumulate within these organs suggesting that the product inhibition of loganin with LAMT is not physiologically relevant. The limiting factor to iridoid and MIA biosynthesis seems to be related to the spatial separation of secologanin and the MIA pathway, although secologanin is synthesized in the epidermis, only 2-5% of the total secologanin is found in the epidermis while the remaining secologanin is found within the leaf body inaccessable to alkaloid biosynthesis. These studies emphasize the biochemical specialization of the epidermis for the production of secondary metabolites. The epidermal cells synthesize metabolites that are sequestered within the plant and metabolites that are secreted to the leaf surface. The secreted metabolites comprise the epidermome, a layer separating the plant from its environment.

Functional genomics of BAHD acyltransferases in different varieties of the wine grape, Vilis vinifera

The characteristic "foxy" aroma of Vilis labrusca Concord grapes is due in large part to methyl anthranilate, a volatile ester formed by the enzyme anthraniloyl- CoA:methanol anthraniloyltransferase (VIAMAT) of the superfamily of BARD acyltransferases. The publication of the genome ofthe closely related wine grape Vilis vinifera, which does not accumulate methyl anthranilate, permitted the searching for any putative VlAU4T-like genes, with the result of 5 highly homologous candidates being found, with one candidate sharing 95% identity to VlAU4T. Probing the gene expression of 18 different cultivars of V. vinifora ripe berries by RT -PCR showed that many varieties do indeed express VlAU4T-like genes. Subsequent cloning of the full-length open reading frame of one of these genes from eDNA prepared from the cultivar Sauvignon Blanc permitted preliminary biochemical characterization of the enzyme after heterologous expression in E. coli. It was determined that this alcohol acyltransferase (named VvsbAATl) catalyzes the formation of cis-3-hexenyl acetate, a "green-leaf' volatile. Although the cloned gene from Sauvignon Blanc had 95% identity at the amino acid level to VIAMAT, it displayed an altered substrate specificity and expression pattern. These results highlight the difficulty in predicting substrate specificity and function of enzymes through the basis of sequence homology, which is a common finding in the study of BARD acyltransferases. Also, the determination of function of VvsbAATl and other BARD acyltransferases in V. vinifera could be used as a genetic marker for certain aroma characteristics in grape breeding programs.

Functional Characterization of Monoterpenoid Indole Alkaloid (MIA) Biosynthetic Genes in Catharanthus roseus

The monoterpenoid indole alkaloids (MIAs) of Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) are known to be among the most important source of natural drugs used in various cancer chemotherapies. MIAs are derived by combining the iridoid secologanin with tryptamine to form the central precursor strictosidine that is then converted to most known MIAs, such as catharanthine and vindoline that dimerize to form anticancer vinblastine and vincristine. While their assembly is still poorly understood, the complex multistep pathways involved occur in several specialized cell types within leaves that are regulated by developmental and environmental cues. The organization of MIA pathways is also coupled to secretory mechanisms that allow the accumulation of catharanthine in the waxy leaf surface, separated from vindoline found within leaf cells. While the spatial separation of catharanthine and vindoline provides an explanation for the low levels of dimeric MIAs found in the plants, the secretion of catharanthine to the leaf surface is shown to be part of plant defense mechanisms against fungal infection and insect herbivores. The transcriptomic databases of Catharanthus roseus and various MIA producing plants are facilitating bioinformatic approaches to identify novel MIA biosynthetic genes. Virus-induced gene silencing (VIGS) is being used to screen these candidate genes for their involvement in iridoid biosynthesis pathway, especially in the identification of 7-deoxyloganic acid 7-hydroxylase (CrDL7H) shown by the accumulation of its substrate, 7-deoxyloganic acid and decreased level of secologanin along with catharanthine and vindoline. VIGS can also confirm the biochemical function of genes being identified, such as in the glucosylation of 7-deoxyloganetic acid by CrUGT8 shown by decreased level of secologanin and MIAs within silenced plants. Silencing of other iridoid biosynthetic genes, loganic acid O-methyltransferase (LAMT) and secologanin synthase (SLS) also confirm the metabolic route for iridoid biosynthesis in planta through 7-deoxyloganic acid, loganic acid, and loganin intermediates. This route is validated by high substrate specificity of CrUGT8 for 7-deoxyloganetic acid and CrDL7H for 7-deoxyloganic acid. Further localization studies of CrUGT8 and CrDL7H also show that these genes are preferentially expressed within Catharanthus leaves rather than in epidermal cells where the last two steps of secologanin biosynthesis occur.

The γ-tocopherol-like family of N-methyltransferases: A taxonomically clustered gene family encoding enzymes responsible for N-methylation of monoterpene indole alkaloids

The plant family Apocynaceae accumulates thousands of monoterpene indole alkaloids (MIAs) which originate, biosynthetically, from the common secoiridoid intermediate, strictosidine, that is formed from the condensation of tryptophan and secologanin molecules. MIAs demonstrate remarkable structural diversity and have pharmaceutically valuable biological activities. For example; a subunit of the potent anti-neoplastic molecules vincristine and vinblastine is the aspidosperma alkaloid, vindoline. Vindoline accumulates to trace levels under natural conditions. Research programs have determined that there is significant developmental and light regulation involved in the biosynthesis of this MIA. Furthermore, the biosynthetic pathway leading to vindoline is split among at least five independent cell types. Little is known of how intermediates are shuttled between these cell types. The late stage events in vindoline biosynthesis involve six enzymatic steps from tabersonine. The fourth biochemical step, in this pathway, is an indole N-methylation performed by a recently identified N-methyltransfearse (NMT). For almost twenty years the gene encoding this NMT had eluded discovery; however, in 2010 Liscombe et al. reported the identification of a γ-tocopherol C-methyltransferase homologue capable of indole N-methylating 2,3-dihydrotabersonine and Virus Induced Gene Silencing (VIGS) suppression of the messenger has since proven its involvement in vindoline biosynthesis. Recent large scale sequencing initiatives, performed on non-model medicinal plant transcriptomes, has permitted identification of candidate genes, presumably involved, in MIA biosynthesis never seen before in plant specialized metabolism research. Probing the transcriptome assemblies of Catharanthus roseus (L.)G.Don, Vinca minor L., Rauwolfia serpentine (L.)Benth ex Kurz, Tabernaemontana elegans, and Amsonia hubrichtii, with the nucleotide sequence of the N-methyltransferase involved in vindoline biosynthesis, revealed eight new homologous methyltransferases. This thesis describes the identification, molecular cloning, recombinant expression and biochemical characterization of two picrinine NMTs, one from V. minor and one from R. serpentina, a perivine NMT from C. roseus, and an ajmaline NMT from R. serpentina. While these TLMTs were expressed and functional in planta, they were active at relatively low levels and their N-methylated alkaloid products were not apparent our from alkaloid isolates of the plants. It appears that, for the most part, these TLMTs, participate in apparently silent biochemical pathways, awaiting the appropriate developmental and environmental cues for activity.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Functional Analysis of Nuclear beta-Adrenergic Receptors in the Myocardium

Récemment plusieurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) ont été caractérisés au niveau des membranes intracellulaires, dont la membrane nucléaire. Notre objectif était de déterminer si les sous-types de récepteurs β-adrénergiques (βAR) et leurs machineries de signalisation étaient fonctionnels et localisés à la membrane nucléaire des cardiomyocytes. Nous avons démontré la présence des β1AR et β3AR, mais pas du β2AR à la membrane nucléaire de myocytes ventriculaires adultes par immunobuvardage, par microscopie confocale, et par des essais fonctionnels. De plus, certains partenaires de signalisation comme les protéines GαS, Gαi, l’adénylate cyclase II, et V/VI y étaient également localisés. Les sous-types de βAR nucléaires étaient fonctionnels puisqu'ils pouvaient lier leurs ligands et activer leurs effecteurs. En utilisant des noyaux isolés, nous avons observé que l'agoniste non-sélectif isoprotérénol (ISO), et que le BRL37344, un ligand sélectif du β3AR, stimulaient l'initiation de la synthèse de l’ARN, contrairement à l'agoniste sélectif du β1AR, le xamotérol. Cette synthèse était abolie par la toxine pertussique (PTX). Cependant, la stimulation des récepteurs nucléaires de type B de l’endothéline (ETB) causaient une réduction de l'initiation de la synthèse d’ARN. Les voies de signalisations impliquées dans la régulation de la synthèse d’ARN par les RCPGs ont ensuite été étudiées en utilisant des noyaux isolés stimulés par des agonistes en présence ou absence de différents inhibiteurs des voies MAP Kinases (proteines kinases activées par mitogènes) et de la voie PI3K/PKB. Les protéines impliquées dans les voies de signalisation de p38, JNK, ERK MAP Kinase et PKB étaient présents dans les noyaux isolés. L'inhibition de PKB par la triciribine, inhibait la synthèse d’ARN. Nous avons ensuite pu mettre en évidence par qPCR que la stimulation par l’ISO entrainait une augmentation du niveau d'ARNr 18S ainsi qu’une diminution de l'expression d’ARNm de NFκB. En contraste, l’ET-1 n’avait aucun effet sur le niveau d’expression de l’ARNr 18S. Nous avons ensuite montré que la stimulation par l’ISO réduisait l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l'activation de NFκB, tandis que l’inhibition de ERK1/2 et PKB renversait cet effet. Un microarray global nous a ensuite permis de démontrer que les βARs et les ETRs nucléaires régulaient un grand nombre de gènes distincts. Finalement, les βARs et ETRs nucléaires augmentaient aussi une production de NO de noyaux isolés, ce qui pouvait être inhibée par le LNAME. Ces résultats ont été confirmés dans des cardiomyocytes intacts en utilisant des analogues cagés et perméables d’ISO et de l'ET-1: l'augmentation de NO nucléaire détectée par DAF2-DA, causée par l'ET-1 et l'ISO, pouvait être prévenue par le LNAME. Finalement, l’augmentation de l’initiation de la transcription induite par l'ISO était aussi bloquée par le L-NAME ou par un inbitheur de PKG, le KT5823, suggérant que la voie NO-GC-PKG est impliquée dans la régulation de la transcription par les βAR. En conclusion, les βARs et les ETRs nucléaires utilisent des voies de signalisation différentes et exercent ainsi des effets distincts sur l’expression des gènes cardiaques. Ils représentent donc une avenue intéressante pour le développement de drogues pharmacologiques.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

Characterization of polycystin-1 in ADPKD pathogenetic mechanism : biogenesis and functional implications by genetic approaches in mouse

La polykystose rénale autosomique dominante (ADPKD) est une des maladies génétiques les plus communes. ADPKD se manifeste le plus souvent au stade adulte par la présence de kystes rénaux, et bien souvent de kystes hépatiques, avec une progression très variable. ADPKD mène à une insuffisance rénale: les seuls recours sont la dialyse puis la transplantation rénale. Les mutations dispersées sur les gènes PKD1 (majoritairement; la protéine polycystine-1, PC1) et PKD2 (la protéine polycystine-2, PC2) sont responsables de l’ADPKD. Le mécanisme pathogénétique de perte de fonction (LOF) et donc d’un effet récessif cellulaire est évoqué comme causatif de l’ADPKD. LOF est en effet supporté par les modèles murins d’inactivation de gènes PKD1/PKD2, qui développent de kystes, quoique in utéro et avec une rapidité impressionnante dans les reins mais pas dans le foie. Malgré de nombreuses études in vitro, le rôle de PC1/PC2 membranaire/ciliaire reste plutôt hypothétique et contexte-dépendant. Ces études ont associé PC1/PC2 à une panoplie de voies de signalisation et ont souligné une complexité structurelle et fonctionnelle exceptionnelle, dont l’implication a été testée notamment chez les modèles de LOF. Toutefois, les observations patho-cellulaires chez l’humain dont une expression soutenue, voire augmentée, de PKD1/PC1 et l’absence de phénotypes extrarénaux particuliers remet en question l’exclusivité du mécanisme de LOF. Il était donc primordial 1) d’éclaircir le mécanisme pathogénétique, 2) de générer des outils in vivo authentiques d’ADPKD en terme d’initiation et de progression de la maladie et 3) de mieux connaitre les fonctions des PC1/PC2 indispensables pour une translation clinique adéquate. Cette thèse aborde tous ces points. Tout d’abord, nous avons démontré qu’une augmentation de PKD1 endogène sauvage, tout comme chez l’humain, est pathogénétique en générant et caractérisant en détail un modèle murin transgénique de Pkd1 (Pkd1TAG). Ce modèle reproduit non seulement les caractéristiques humaines rénales, associées aux défauts du cil primaire, mais aussi extrarénales comme les kystes hépatiques. La sévérité du phénotype corrèle avec le niveau d’expression de Pkd1 ce qui supporte fortement un modèle de dosage. Dans un deuxième temps, nous avons démontré par les études de complémentations génétiques que ces deux organes reposent sur une balance du clivage GPS de Pc1, une modification post-traductionelle typique des aGPCR, et dont l’activité et l’abondance semblent strictement contrôlées. De plus, nous avons caractérisé extensivement la biogénèse de Pc1 et de ses dérivés in vivo générés suite au clivage GPS. Nous avons identifié une toute nouvelle forme et prédominante à la membrane, la forme Pc1deN, en plus de confirmer deux fragments N- et C-terminal de Pc1 (NTF et CTF, respectivement) qui eux s’associent de manière non-covalente. Nous avons démontré de façon importante que le trafic de Pc1deN i.e., une forme NTF détachée du CTF, est toutefois dépendant de l’intégrité du fragment CTF in vivo. Par la suite, nous avons généré un premier modèle humanisant une mutation PKD1 non-sens tronquée au niveau du domaine NTF(E3043X) en la reproduisant chez une souris transgénique (Pkd1extra). Structurellement, cette mutation, qui mimique la forme Pc1deN, s’est également avérée causative de PKD. Le modèle Pkd1extra a permis entre autre de postuler l’existence d’une cross-interaction entre différentes formes de Pc1. De plus, nos deux modèles murins sont tous les deux associés à des niveaux altérés de c-Myc et Pc2, et soutiennent une implication réelle de ces derniers dans l’ADPKD tou comme une interaction fonctionnelle entre les polycystines. Finalement, nous avons démontré un chevauchement significatif entre l’ADPKD et le dommage rénal aigüe (ischémie/AKI) dont une expression augmentée de Pc1 et Pc2 mais aussi une stimulation de plusieurs facteurs cystogéniques tel que la tubérine, la β-caténine et l’oncogène c-Myc. Nos études ont donc apporté des évidences cruciales sur la contribution du gène dosage dans l’ADPKD. Nous avons développé deux modèles murins qui serviront d’outil pour l’analyse de la pathologie humaine ainsi que pour la validation préclinique ADPKD. L’identification d’une nouvelle forme de Pc1 ajoute un niveau de complexité supplémentaire expliquant en partie une capacité de régulation de plusieurs voies de signalisation par Pc1. Nos résultats nous amènent à proposer de nouvelles approches thérapeutiques: d’une part, le ciblage de CTF i.e., de style chaperonne, et d’autre part le ciblage de modulateurs intracellulaires (c-Myc, Pc2, Hif1α). Ensemble, nos travaux sont d’une importance primordiale du point de vue informatif et pratique pour un avancement vers une thérapie contre l’ADPKD. Le partage de voies communes entre AKI et ADPKD ouvre la voie aux approches thérapeutiques parallèles pour un traitement assurément beaucoup plus rapide.

Role of histone methylation in the regulation of COX-2, iNOS, and mPGES-1 gene expression in human chondrocytes: Implication for Osteoarthritis

L'arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative, classée comme la forme la plus fréquente au monde. Elle est caractérisée par la dégénérescence du cartilage articulaire, l’inflammation de la membrane synoviale, et le remodelage de l’os sous-chondral. Ces changements structurels et fonctionnels sont dues à de nombreux facteurs. Les cytokines, les prostaglandines (PG), et les espèces réactives de l'oxygène sont les principaux médiateurs impliqués dans la pathophysiologie de l'OA. L'interleukine-1β (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire majeure qui joue un rôle crucial dans l'OA. L'IL-1β induit l'expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2), la microsomale prostaglandine E synthase-1 (mPGES-1), la synthase inductible de l'oxyde nitrique (iNOS), ainsi que leurs produits la prostaglandine E2 (PGE2) et l'oxyde nitrique (NO). Ce sont des médiateurs essentiels de la réponse inflammatoire au cours de l'OA qui contribuent aux mécanismes des douleurs, de gonflement, et de destruction des tissus articulaires. Les modifications épigénétiques jouent un rôle très important dans la régulation de l’expression de ces gènes pro-inflammatoires. Parmi ces modifications, la méthylation/ déméthylation des histones joue un rôle critique dans la régulation des gènes. La méthylation/ déméthylation des histones est médiée par deux types d'enzymes: les histones méthyltransférases (HMT) et les histones déméthylases (HDM) qui favorisent l’activation et/ou la répression de la transcription. Il est donc nécessaire de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression des gènes de la COX-2, la mPGES-1, et l’iNOS. L'objectif de cette étude est de déterminer si la méthylation/déméthylation des histones contribute à la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS dans des chondrocytes OA humains induits par l'IL-1β. Nous avons montré que la méthylation de la lysine K4 de l'histone H3 (H3K4) par SET-1A contribue à l’activation des gènes COX-2 et iNOS dans les chondrocytes humains OA induite par l'IL-1β. Nous avons également montré que la lysine K9 de l’histone H3 (H3K9) est déméthylée par LSD1, et que cette déméthylation contribue à l’expression de la mPGES-1 induite par IL-1β dans les chondrocytes humains OA. Nous avons aussi trouvé que les niveaux d'expression des enzymes SET-1A et LSD1 sont élevés au niveau du cartilage OA. Nos résultats montrent, pour la première fois, l'implication de la méthylation/ déméthylation des histones dans la régulation de l’expression des gènes COX-2, mPGES-1, et iNOS. Ces données suggèrent que ces mécanismes pourraient être une cible potentielle pour une intervention pharmacologique dans le traitement de la physiopathologie de l'OA.

ADRENERGIC RECEPTOR GENE EXPRESSION DURING PANCREATIC REGENERATION AND INSULIN SECRETION IN RATS –

In the present study, the changes in the brain EPI (Epinephrine), adrenergic receptors and the receptor gene expression were investigated during pancreatic regeneration and insulin secretion. The changes in the pancreatic islet EPI and adrenergic receptors were also studied in the pancreatectomised rats. The regulatory function of EPI in association with Epidermal growth factor (EGF) and glucose were investigated in rat islet cultures. In vitro studies were carried out using antagonists for adrenergic receptor subtypes to see their involvement in the islet DNA synthesis. The mechanism by which the peripheral EPI regulate insulin secretion was also investigated by studying the nuclear binding proteins in the pancreatic islets during pancreatic regeneration and diabetes. The study reveals that EPI can regulate the pancreatic islet cell proliferation by controlling the insulin synthesis and secretion. The brain adrenergic receptor gene expression and functional correlation regulate the pancreatic adrenergic receptors. The functional balance of α and β-adrenergic receptors controls the insulin secretion and pancreatic β-cell proliferation, which will have immense clinical significance in the treatment of Diabetes mellitus.

Alterations in the muscarinic M I and M3 receptor gene expression in the brain stem during pancreatic regeneration and insulin secretion in weanling rats

Muscarinic M1 and M3 receptor changes in the brain stem during pancreatic regeneration were investigated. Brain stem acetylcholine esterase activity decreased at the time of regeneration . Sympathetic activity also decreased as indicated by the norepinephrine (NE) and epinephrine (EPI) content of adrenals and also in the plasma. Muscarinic Ml and M3 receptors showed reciprocal changes in the brain stem during regeneration. Muscairnic M1 receptor number decreased at time of regeneration without any change in the affinity. High affinity M3 receptors showed an increase in the number. The affinity did not show any change . The number of low affinity receptors decreased with decreased Kd at 72 hours after partial pancreatectomy. The Kd reversed to control value with a reversal of the number of receptors to near control value . Gene expression studies also showed a similar change in the mRNA level of Ml and M3 receptors . These alterations in the muscarinic receptors regulate sympathetic activity and maintain glucose level during pancreatic regeneration. Central muscarinic M1 and M3 receptor subtypes functional balance is suggested to regulate sympathetic and parasympathetic activity, which in turn control the islet cell proliferation and glucose homeostasis.

Neurotransmitters Functional Balance in Neurodegenerative Disease Management:recent Advances

The recent developments in neurobiology have rendered new prominence and potential to study about the structure and function of brain and related disorders. Human behaviour is the net result of neural control of the communication between brain cells. Neurotransmitters are chemicals that are used to relay, amplify and modulate electrical signals between neurons and/or another cell. It mediates rapid intercellular communication through the nervous system by interacting with cell surface receptors. These receptors often trigger second messenger signaling pathways that regulate the activity of ion channels. The functional balance of different neurotransmitters such as Acetylcholine (Ach), Dopamine (DA), Serotonin (5-HT), Norepinephrine (NE), Epinephrine (EPI), Glutamate and Gamma amino butyric acid (GABA) regulates the growth, division and other vital functions of a normal cell / organism (Sudha, 1998). Any change in neurotransmitters' functional balance will result in the failure of cell function and may lead to the occurrence of diseases. Abnormalities in the production or functioning of neurotransmitters have been implicated in a number of neurological disorders like Schizophrenia, Alzheimer's, Epilepsy, Depression and Parkinson's disease. Changes in central and peripheral neuronal signaling system is also noted in diabetes, cancer, cell proliferation, alcoholism and aging. Elucidation of neurotransmitters receptor interaction pathways and gene expression regulation by second messengers and transcriptional factors in health and disease conditions can lead to new small molecules for development of therapeutic agents to improve neurological disease conditions. Increased awareness of the global effects of neurological disorders should help health care planners and the neurological community set appropriate priorities in research, prevention, and management of these diseases.

MUSCARINIC M1 AND M3 RECEPTOR GENE EXPRESSION DURING PANCREATIC REGENERATION AND INSULIN SECRETION IN RATS

The present work is an attempt to understand the role of acetylcholine muscarinic M1 and M3 receptors during pancreatic regeneration and insulin secretion. The work focuses on the changes in the muscarinic M1 and M3 receptors in brain and pancreas during pancreatic regeneration. The effect of these receptor subtypes on insulin secretion and pancreatic P-cell proliferation were studied in vitro using rat primary pancreatic islet culture. Muscarinic Ml and M3 receptor kinetics and gene expression studies during pancreatic regeneration and insulin secretion will help to elucidate the role of acetylcholine functional regulation of pancreatic u-cell proliferation and insulin secretion.The cholinergic system through muscarinic M1 and M3 receptors play an important role in the regulation of pancreatic (3-cell proliferation and insulin secretion . Cholinergic activity as indicated by acetylcholine esterase, a marker for cholinergic system, decreased in the brain regions - hypothalamus, brain stem, corpus striatum, cerebral cortex and cerebellum during pancreatic regeneration. Pancreatic muscarinic M1 and M3 receptor activity increased during proliferation indicating that both receptors are stimulatory to (3-cell division. Acetylcholine dose dependently increase EGF induced DNA synthesis in pancreatic islets in vitro, which is inhibited by muscarinic antagonist atropine confirming the role of muscarinic receptors. Muscarinic M1 and M3 receptor antagonists also block acetycholine induced DNA synthesis suggesting the importance of these receptors in regeneration. Acetylcholine also stimulated glucose induced insulin secretion in vitro which is inhibited by muscarinic M1 and M3 receptor antagonists. The muscarinic receptors activity and their functional balance in the brain and pancreas exert a profound influence in the insulin secretion and also regeneration of pancreas

Dopamine Receptor Gene Expression In Streptozotocin Induced Diabetic Rats And Its Role In Insulin Secretion

Diabetes Mellitus is a metabolic disorder associated with insulin deficiency, which not.only affects the carbohydrate metabolism but also is associated with various central and peripheral complications. Chronic hyperglycemia during diabetes mellitus is a major initiator of diabetic microvascular complications like retinopathy, neuropathy, The central nervous system (CNS) neurotransmitters play an important role in the regulation of glucose homeostasis. These neurotransmitters mediate rapid intracellular communications not only within the central nervous system but also in the peripheral tissues. They exert their function through receptors present in both neuronal and non neuronal cell surface that trigger second messenger signaling pathways. Dopamine is a neurotransmitter that has been implicated in various central neuronal degenerative disorders like Parkinson's disease and behavioral diseases like Schizophrenia. Dopamine is synthesised from tyrosine, stored in vesicles in axon terminals and released when the neuron is depolarised. Dopamine interacts with specific membrane receptors to produce its effect. Dopamine plays an important role both centrally and peripherally. The recent identification of five dopamine receptor subtypes provides a basis for understanding dopamine's central and peripheral actions . Dopamine receptors are classified into two major groups : DA D1 like and DA D2 like. Dopamine D1 like receptors consists of DA D1 and DA D5 receptors . Dopamine D2 like receptors consists of DA D2, DA D3 and DA D4 receptors. Stimulation of the DA D1 receptor gives rise to increased production of cAMP. Dopamine D2 receptors inhibit cAMP production, but activate the inositol phosphate second messenger system . Impairment of central dopamine neurotransmission causes muscle rigidity, hormonal regulation , thought disorder and cocaine addiction. Peripheral dopamine receptors mediate changes in blood flow, glomerular filtration rate, sodium excretion and catecholamine release. The dopamine D2 receptors increased in the corpus striatum and cerebral cortex but decreased in the hypothalamus and brain stem indicating their involvement in regulating insulin secretion. Dopamine D2 receptor which has a stimulatory effecton insulin secretion decreased in the pancreatic islets during diabetes. Our in vitro studies confirmed the stimulatory role of dopamine D2 receptors in stimulation of glucose induced insulin secretion. A detailed study at the molecular level on the mechanisms involved in the role of dopamine in insulin secretion, its functional modification could lead to therapeutic interventions that will have immense clinical importance.

Gaba Receptor Gene Expression during Rat Liver Cell Proliferation and Its Function in Hepatocyte Cultures

The present thesis is an attempt to understand the role of GABA, GABAA and GABAB receptors in the regulation of liver cell proliferation using in vivo and in vitro models. The work also focuses on the brain GABAergic changes associated with normal and neoplastic cell growth in liver and to delineate its regulatory function. The investigation of mechanisms involving mitogenic models without cell necrosis may contribute our knowledge about both on cell growth, carcinogenesis, liver pathology and treatment. Objectives of the present study are, to induce controlled liver cell proliferation by partial hepatectomy and lead nitrate administration and uncontrolled cell proliferation by N-nitrosodiethylamine treatment in male Wistar rats, the changes in the content of GABA, GABAA,GABAB in various rat brain regions. To study the GABAA and GABAB receptor changes in brain stem, hypothalamus, cerebellum and cerebral cortex during the active cortex during the period of active DNA synthesis in liver of different experimental groups. The changes in GABAA and GABAB receptor function of the brain stem, hypothalamus and cerebellum play an important role sympathetic regulation of cell proliferation and neoplastic growth in liver. The decrease in GABA content in brain stem, hypothalamus and cerebellum during regeneration and neoplasia in liver. The time course of brain GABAergic changes was closely correlated with that of heptic DNA synthesis. The functional significance of these changes was further explored by studying the changes in GABAA and GABAB receptors in brain.