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.

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.

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.

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

Cardiovascular and sensory abnormalities in a rat model of insulin resistance : beneficial effect of an antioxidant and an angiotensin-1 converting enzyme inhibitor

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

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Identification et caractérisation des principaux fragments du collagène de type II du cartilage équin, produit in vitro par l'enzyme cathepsine K

La dégradation protéolytique du collagène de type II est considérée comme étant un facteur majeur dans le processus irréversible de dégradation de la matrice cartilagineuse lors d’ostéoarthrose. Outre les collagénases de la famille des métaloprotéinases de la matrice (MMP-1, -8, -13), la cathepsine K est parmi les seules enzymes susceptibles de dégrader la triple hélice intacte du collagène de type II, devenant ainsi un élément pertinent pour les recherches sur l’ostéoarthrose. L’objectif à court terme de notre étude consiste en l’identification et la caractérisation de sites de clivage spécifiques de la cathepsine K sur le collagène de type II équin. La technique d’électrophorèse SDS-PAGE 1D permet la visualisation des produits de digestion et la validation des résultats de la caractérisation moléculaire des fragments protéolytiques. La caractérisation est réalisée en combinant la digestion trypsique précédant l’analyse HPLC-ESI/MS. Les résultats ont permis d’établir les sites, présents sur la carte peptidique de la molécule de collagène de type II équin, des 48 résidus prolines (P) et 5 résidus lysines (K) supportant une modification post-traductionnelle. De plus, 6 fragments majeurs, différents de ceux produits par les MMPs, sont observés par SDS-PAGE 1D puis confirmés par HPLC-ESI/MS, correspondant aux sites suivants : F1 [G189-K190], F2 [G252-P253], F3 [P326-G327], F4 [P428-G429], F5 [P563-G564] et F6 [P824-G825]. Le fragment F1 nouvellement identifié suggère un site de clivage différent de l’étude antérieure sur le collagène de type II bovin et humain. L’objectif à long terme serait le développement d’anticorps spécifiques au site identifié, permettant de suivre l’activité protéolytique de la cathepsine K par immunohistochimie et ÉLISA, dans le cadre du diagnostic de l’ostéoarthrose.