Obésité abdominale et autres déterminants du risque cardiométabolique dans deux populations urbaines noires apparentées : Port-au-Prince (Haïti) et Cotonou (Bénin)

L’obésité est un problème de santé publique reconnu. Dans la dernière décennie l’obésité abdominale (OA) a été considérée comme une maladie métabolique qui contribue davantage au risque de diabète et de maladies cardiovasculaires que l’obésité générale définie par l’indice de masse corporelle. Toutefois, dans les populations d’origine africaine, la relation entre l’OA et les autres biomarqueurs de risque cardiométabolique (RCM) demeure obscure à cause du manque d’études chez ces populations et de l’absence de valeurs-seuils spécifiques pour juger d’une OA. Cette étude visait à comparer la prévalence des biomarqueurs de RCM (OA, hypertension artérielle, hyperglycémie, dyslipidémie, résistance à l'insuline et inflammation pré-clinique) chez les Béninois de Cotonou et les Haïtiens de Port-au-Prince (PAP), à étudier l’association de l’OA avec les autres biomarqueurs de RCM, à documenter le rôle du niveau socio-économique (NSE) et du mode de vie dans cette association et à ’identifier les indicateurs anthropométriques de l’OA -tour de taille (TT) et le ratio TT/hauteur (TT/H)- et les seuils qui prédisent le mieux le RCM à Cotonou et à PAP. Il s’est agi d’une analyse de données transversales chez 452 adultes (52 % hommes) apparemment en bonne santé, âgés de 25 à 60 ans, avec 200 sujets vivant à Cotonou (Bénin) et 252 sujets à PAP (Haïti). Les biomarqueurs de RCM considérés étaient : le syndrome métabolique (SMet) d’après les critères harmonisés de 2009 et ses composantes individuelles - une OA à partir d’un TT ≥ 94cm chez les hommes et ≥ 80cm chez les femmes, une hypertension, une dyslipidémie et une hyperglycémie; la résistance à l’insuline définie chez l’ensemble des sujets de l’étude à partir du 75e centile de l’Homeostasis Model Assessment (HOMA-IR); un ratio d’athérogénicité élevé (Cholestérol sérique total/HDL-Cholestérol); et l’inflammation pré-clinique mesurée à partir d’un niveau de protéine C-réactive ultrasensible (PCRus) entre 3 et 10 mg/l. Le ratio TT/H était aussi considéré pour définir l’OA à partir d’un seuil de 0,5. Les données sur les habitudes alimentaires, la consommation d’alcool, le tabagisme, les caractéristiques sociodémographiques et les conditions socio-économiques incluant le niveau d’éducation et un proxy du revenu (basé sur l’analyse par composante principale des biens et des possessions) ont été recueillies au moyen d’un questionnaire. Sur la base de données de fréquence de consommation d’aliments occidentaux, urbains et traditionnels, des schémas alimentaires des sujets de chaque ville ont été identifiés par analyse typologique. La validité et les valeurs-seuils de TT et du ratio TT/H prédictives du RCM ont été définies à partir des courbes ROC (Receiver Operating Characteristics). Le SMet était présent chez 21,5 % et 16,1 % des participants, respectivement à Cotonou et à PAP. La prévalence d’OA était élevée à Cotonou (52,5 %) qu’à PAP (36%), avec une prévalence plus élevée chez les femmes que chez les hommes. Le profil lipidique sérique était plus athérogène à PAP avec 89,3 % d’HDL-c bas à PAP contre 79,7 % à Cotonou et un ratio CT/HDL-c élevé de 73,4 % à PAP contre 42 % à Cotonou. Les valeurs-seuils spécifiques de TT et du TT/H étaient respectivement 94 cm et 0,59 chez les femmes et 80 cm et 0,50 chez les hommes. Les analyses multivariées de l’OA avec les biomarqueurs de RCM les plus fortement prévalents dans ces deux populations montraient que l’OA était associée à un risque accru de résistance à l’insuline, d’athérogénicité et de tension artérielle élevée et ceci, indépendamment des facteurs socio-économiques et du mode de vie. Deux schémas alimentaires ont émergé, transitionnel et traditionnel, dans chaque ville, mais ceux-ci ne se révélaient pas associés aux biomarqueurs de RCM bien qu’ils soient en lien avec les variables socio-économiques. La présente étude confirme la présence de plusieurs biomarqueurs de RCM chez des sujets apparemment sains. En outre, l’OA est un élément clé du RCM dans ces deux populations. Les seuils actuels de TT devraient être reconsidérés éventuellement à la lumière d’études de plus grande envergure, afin de mieux définir l’OA chez les Noirs africains ou d’origine africaine, ce qui permettra une surveillance épidémiologique plus adéquate des biomarqueurs de RCM.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Avaliação do papel dos polimorfismos em enzimas metabolizadoras e enzimas transportadoras de fármacos em neoplasias hematológicas

O cancro é um dos maiores causadores globais de mortalidade e morbilidade, ocorrendo cerca de 14 milhões de novos casos por ano e 8,2 milhões de mortes anuais com esta patologia, números que tendem a aumentar 70% nas próximas duas décadas. A característica tumoral mais nefasta é a sua capacidade de metastização para outros órgãos, um mecanismo que pode ser despoletado pela falha dos mecanismos normais de controlo de crescimento, proliferação e reparação celulares, que facilita o processo de transformação de células normais em células cancerígenas. A oncogénese processa-se em três etapas, a iniciação, a promoção e a progressão e pode ter origem em células estaminais cancerígenas, que regulam as capacidades de propagação e recidiva do tumor. As neoplasias hematológicas resultam de alterações genéticas e /ou epigenéticas que conduzem à desregulação da proliferação, ao bloqueio da diferenciação e/ou à resitência à apoptose. Para além dos fatores de risco exógenos, como agentes carcinogénicos físicos, químicos e biológicos, existem também fatores endógenos, incluindo características genéticas, que podem alterar a predisposição para o aparecimento de neoplasias, bem como influenciar a resposta à terapêutica. Uma das terapêuticas aplicadas no tratamento do cancro é a quimioterapia. Os fármacos administrados a doentes oncológicos seguem normalmente o percurso de absorção, distribuição, metabolização e eliminação. Este curso pode sofrer alterações caso as proteínas transportadoras e metabolizadoras necessárias não atuem corretamente. Para um melhor conhecimento da influência das alterações provocadas por variações nos genes que codificam proteínas transportadoras de efluxo (MDR1, MRP1), proteínas de influxo (OCTN2) e proteínas metabolizadoras (UCK2), o objetivo deste trabalho consistiu na avaliação de polimorfismos nos genes MDR1, MRP1, OCTN2 e UCK2 e da sua relação com a predisposição para o desenvolvimento de neoplasias hematológicas. Para isto, foram utilizadas amostras de 307 doentes com neoplasias hematológicas, 83 de Síndrome Mielodisplásica (SMD), 63 Leucemia Mieloide Aguda (LMA), 16 de Síndrome Mielodisplásica/Neoplasias Mieloproliferativas (SMD/NMP), 77 de Mieloma Múltiplo (MM) e 68 de Gamapatia Monoclonal de Significado Indeterminado (MGUS) e 164 de controlos não neoplásicos e/ou indivíduos saudáveis. As amostras de ADN foram extraídas do sangue periférico com protocolo adequado. De forma a determinar os genótipos correspondentes a cada amostra, realizaram-se técnicas de RFLP-PCR e ARMS-PCR. Posteriormente, calcularam-se estatisticamente as frequências alélicas e genotípicas relativas às variantes polimórficas dos genes MDR1, MRP1, OCTN2 e UCK2 e verificou-se se estavam em Equilíbrio de Hardy-Weinberg. De seguida, avaliou-se a força de associação entre as formas polimórficas e o risco de desenvolvimento de neoplasias hematológicas, através do cálculo do risco relativo por análise de regressão logística. Avaliaram-se ainda os perfis genéticos e a possível relação com o desenvolvimento e progressão da neoplasia com recurso a regressão logística e análise de Kaplan-Meier. De um modo geral as frequências alélicas e genotípicas não se revelaram alteradas comparativamente ao esperado. A análise do odds ratio associado ao polimorfismo rs1045642 do gene MDR1 revelou que o genótipo CT pode constituir um fator de risco aumentado de 1,84x para o desenvolvimento de Gamapatias Monoclonais e 2,27x para o desenvolvimento de Mieloma Múltiplo. Por outro lado, a presença de genótipos portadores do alelo T têm um efeito protetor no desenvolvimento de MM (OR=0,41). O cálculo do risco associado ao polimorfismo rs4148330 do gene MRP1 revela que o genótipo AG é um fator protetor (OR=0,50) para o desenvolvimento de LMA, assim como o alelo G (OR=0,50). Além disso, verificámos que existe uma associação de risco de desenvolver neoplasia com o polimorfismo rs2185268 do gene UCK2. De facto, a presença dos genótipos CC e AC representam um fator de risco 4,59x aumentado para o desenvolvimento de SMD/NMP. O polimorfismo rs274561 do gene OCTN2 não apresenta relação com o risco relativo de desenvolvimento neoplásico. Da avaliação da influência dos polimorfismos em estudo na sobrevivência global dos doentes, podemos assumir que a presença do genótipo GG relativo ao polimorfismo rs2185268 do gene UCK2 representa uma diminuição da sobrevivência em 11 meses. Os resultados obtidos a partir do nosso estudo permitem-nos concluir que os polimorfismos podem ser fatores relevantes na predisposição para o desenvolvimento de neoplasias hematológicas e na progressão destas doenças.

Étude de variations génétiques et épigénétiques de gènes candidats des complications métaboliques de l'obésité

L’obésité est de nos jours un problème croissant à travers le monde. La morbidité qui y est associée est surtout reliée au développement des différentes composantes du syndrome métabolique (SMet), une constellation de facteurs de risque regroupant l’hypertension, la dyslipidémie (concentration faible de cholestérol des lipoprotéines à haute densité (C-HDL) et élevée de triglycérides (TG)), l’hyperglycémie et l’obésité. Cependant, certains sujets obèses demeurent métaboliquement sains. Les facteurs génétiques joueraient donc un rôle important dans le développement de l’obésité et de ses complications. Les facteurs épigénétiques semblent également y avoir des effets. L’analyse de tissu adipeux viscéral (TAV) a donc été réalisée pour mener à la découverte de plusieurs gènes différentiellement exprimés et méthylés entre les obèses atteints et non atteints par le SMet. Les deux gènes candidats NMT1 et DGKZ font partie de ce groupe et leurs associations avec les composantes du SMet ont été testées. Leurs niveaux de méthylation et d’expression génique ont aussi été analysés.

Rate of Belowground Carbon Allocation Differs with Successional Habit of Two Afromontane Trees

Background: Anthropogenic disturbance of old-growth tropical forests increases the abundance of early successional tree species at the cost of late successional ones. Quantifying differences in terms of carbon allocation and the proportion of recently fixed carbon in soil CO2 efflux is crucial for addressing the carbon footprint of creeping degradation. Methodology: We compared the carbon allocation pattern of the late successional gymnosperm Podocarpus falcatus (Thunb.) Mirb. and the early successional (gap filling) angiosperm Croton macrostachyus Hochst. es Del. in an Ethiopian Afromontane forest by whole tree (CO2)-C-13 pulse labeling. Over a one-year period we monitored the temporal resolution of the label in the foliage, the phloem sap, the arbuscular mycorrhiza, and in soil-derived CO2. Further, we quantified the overall losses of assimilated C-13 with soil CO2 efflux. Principal Findings: C-13 in leaves of C. macrostachyus declined more rapidly with a larger size of a fast pool (64% vs. 50% of the assimilated carbon), having a shorter mean residence time (14 h vs. 55 h) as in leaves of P. falcatus. Phloem sap velocity was about 4 times higher for C. macrostachyus. Likewise, the label appeared earlier in the arbuscular mycorrhiza of C. macrostachyus and in the soil CO2 efflux as in case of P. falcatus (24 h vs. 72 h). Within one year soil CO2 efflux amounted to a loss of 32% of assimilated carbon for the gap filling tree and to 15% for the late successional one. Conclusions: Our results showed clear differences in carbon allocation patterns between tree species, although we caution that this experiment was unreplicated. A shift in tree species composition of tropical montane forests (e. g., by degradation) accelerates carbon allocation belowground and increases respiratory carbon losses by the autotrophic community. If ongoing disturbance keeps early successional species in dominance, the larger allocation to fast cycling compartments may deplete soil organic carbon in the long run.

Soft tissue sarcoma: biology and therapeutic correlates

Soft tissue sarcomas (STS) comprise a heterogenenous group of greater than 50 malignancies of putative mesenchymal cell origin and as such they may arise in diverse tissue types in various anatomical locations throughout the whole body. Collectively they account for approximately 1% of all human malignancies yet have a spectrum of aggressive behaviours amongst their subtypes. They thus pose a particular challenge to manage and remain an under investigated group of cancers with no generally applicable new therapies in the past 40 years and an overall 5-year survival rate that remains stagnant at around 50%. From September 2000 to July 2006 I undertook a full time post-doctoral level research fellowship at the MD Anderson Cancer Center, Houston, Texas, USA in the department of Surgical Oncology to investigate the biology of soft tissue sarcoma and test novel anti- sarcoma adenovirus-based therapy in the preclinical nude rat model of isolated limb perfusion against human sarcoma xenografts. This work, in collaboration with colleagues as indicated herein, led to a number of publications in the scientific literature furthering our understanding of the malignant phenotype of sarcoma and reported preclinical studies with wild-type p53, in a replication deficient adenovirus vector, and oncolytic adenoviruses administered by isolated limb perfusion. Additional collaborative and pioneering preclinical studies reported the molecular imaging of sarcoma response to systemically delivered therapeutic phage RGD-4c AAVP. Doxorubicin chemotherapy is the single most active broadly applicable anti-sarcoma chemotherapeutic yet only has an approximate 30% overall response rate with additional breakthrough tumour progression and recurrence after initial chemo-responsiveness further problematic features in STS management. Doxorubicin is a substrate for the multi- drug resistance (mdr) gene product p-glycoprotein drug efflux pump and exerts its main mode of action by induction of DNA double-strand breaks during the S-phase of the cell cycle. Two papers in my thesis characterise different aspects of chemoresistance in sarcoma. The first shows that wild-type p53 suppresses Protein Kinase Calpha (PKCα) phosphorylation (and activation) of p-glycoprotein by transcriptional repression of PKCα through a Sp-1 transcription factor binding site in its -244/-234 promoter region. The second paper demonstrates that Rad51 (a central mediator of homologous recombination repair of double strand breaks) has elevated levels in sarcoma and particularly in the S- G2 phase of the cell cycle. Suppression of Rad51 with small interfering RNA in sarcoma cell culture led to doxorubicin chemosensitisation. Reintroduction of wild-type p53 into STS cell lines resulted in decreased Rad51 protein and mRNA expression via transcriptional repression of the Rad51 promoter through increased AP-2 binding. In light of poor response rates to chemotherapy, escape from local control portends a poor prognosis for patients with sarcoma. Two papers in my thesis characterise aspects of sarcoma angiogenesis, invasion and metastasis. Human sarcoma samples were found to have high levels of matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) with expression levels that correlated with p53 mutational status. MMP-9 is known to degrade extracellular collagen, contribute to the control of the angiogenic switch necessary in primary tumour progression and facilitate invasion and metastasis. Reconstitution of wild-type p53 function led to decreased levels of MMP-9 protein and mRNA as well as zymography-assessed MMP-9 proteolytic activity and decreased tumour cell invasiveness. Reintroduction of wild-type p53 into human sarcoma xenografts in-vivo decreased tumour growth and MMP-9 protein expression. Wild-type p53 was found to suppress mmp-9 transcription via decreased binding of NF-κB to its -607/-595 mmp-9 promoter element. Studies on the role of the VEGF165 in sarcoma found that sarcoma cells stably transfected with VEGF165 formed more aggressive xenografted tumours with increased vascularity, growth rate, metastasis, and resistance to chemotherapy. Use of the anti-VEGFR2 antibody DC101 enhanced doxorubicin sensitivity at sub-conventional dosing, inhibited tumour growth, decreased development of metastases, and reduced tumour micro-vessel density while increasing the vessel maturation index. These effects were explained primarily through effects on endothelial cells (e.c.s), rather than the tumour cells per se, where DC101 induced e.c. sensitivity to doxorubicin and suppressed e.c. production of MMPs. The p53 tumour suppressor pathway is the most frequently mutated pathway in sarcoma. Recapitulation of wild-type p53 function in sarcoma exerts a number of anti-cancer outcomes such as growth arrest, resensitisation to chemotherapy, suppression of invasion, and attenuation of angiogenesis. Using a modified nude rat-human sarcoma xenograft model for isolated limb perfusion (ILP) delivery of wild-type p53 in a replication deficient adenovirus vector I showed that functionally competent wild-type p53 could be delivered to and detected in human leiomyosarcoma xenografts confirming preclinical feasibility - although not efficacious due to low transgene expression. Viral fibre modification to express the RGD tripeptide motif led to greater viral uptake by sarcoma cells in vitro (transductional targeting) and changing the transgene promoter to a response element active in cells with active telomerase expression restricted the transgene expression to the tumour intracellular environment (transcriptional targeting). Delivery of the fibre-modified, selectively replication proficient oncolytic adenovirus Ad.hTC.GFP/ E1a.RGD by ILP demonstrated a more robust, and tumour-restricted, transgene expression with evidence of anti-sarcoma effect confirmed microscopically. Collaborative studies using the fibre modified phage RGD-4C AAVP confirmed that systemic delivery specifically, efficiently, and repeatedly targets human sarcoma xenografts, binds to αv integrins in tumours, and demonstrates a durable, though heterogeneous, transgene expression of 1-4 weeks. Incorporation of the Herpes Simplex Virus thymidine kinase (HSVtk) transgene into RGD-4C AAVP permitted CT-PET spatial and temporal molecular imaging in vivo of transgene expression and allowed quantification of tumour metabolic activity both before and after interval administration of a systemic cytotoxic with predictable and measurable response to treatment before becoming apparent clinically. These papers further the medical and scientific community’s understanding of the biology of soft tissue sarcoma and report preclinical studies with novel and promising anti- sarcoma therapeutics.

Functional studies of lignin biosynthesis genes and putative flowering gene in Miscanthus x giganteus and studies on indolyl glucosinolate biosynthesis and translocation in Brassica oleracea

The first topic area of this thesis involved studies on the accumulation and translocation of glucosinolates (GSs), bioactive secondary plant compounds, in broccoli plants. Changes in GS accumulation and gene expression levels in response to exogeneous methyl jasmonate (MeJA) treatment were analyzed in different tissue types at different developmental stages of broccoli. Greater accumulation of GSs with MeJA treatment was observed in apical leaves of broccoli seedlings and florets of plants at harvest maturity. Increases in indolyl GS in apical leaves of seedlings and florets were coupled with the up-regulation of indolyl GS biosynthesis genes. The accumulation of indolyl GSs appears to be modulated by MeJA treatment in an organ-specific manner for optimal distribution of defense substances in the plant. Metabolic profiling of hydrophilic metabolites using GC-MS demonstrated increased accumulation of various phenolics, ascorbates and amino acids in broccoli tissues after MeJA treatment. Distinct changes in carbohydrate levels observed between different tissues (vegetative leaves and floret tissues) of broccoli plants after treatment suggest that carbon metabolism is differentially modulated by MeJA treatment in different tissue types depending on sink-source relationships. Reduced levels of hexose sugars and tricarboxylic acid intermediates after MeJA treatment may reflect the increased requirement for carbon and energy needed to drive secondary product biosynthesis to accumulate metabolites for defense against insects and other herbivores. Substantial increases of indolyl and aromatic GSs after exogenous treatment with MeJA in stem and petioles of seedlings and the existence of intact indolyl-GS forms in phloem exudates suggest enhanced de novo synthesis in combination with active transport. Indoly GSs share structural similarities with the auxin, IAA, and may interact with components of the auxin transport system for intra- and extra-cellular transport or translocation. Application of the auxin efflux inhibitor, 1-naphthylphthalamic acid (NPA) reduced MeJA-mediated accumulation of indolyl GSs in broccoli florets and seedling tissues. NPA did not inhibit expression of indolyl GS biosynthesis genes shown to be upregulated by MeJA treatment or the accumulation of tryptophan, the amino acid precursor of indolyl GSs. Exogenous application of benzyl GS to Arabidopsis roots induced ectopic expression of the PIN1 protein associated with the auxin transport system similar to treatment with NPA, again suggesting GS interaction with the auxin efflux carrier system. The inhibitory effect of NPA on MeJA-mediated accumulation of GS may be due to competitive binding of NPA to auxin efflux carrier components and that GS transport is mediated by the auxin transport system. The inhibitory effect of NPA on indolyl and aromatic GS accumulation and the bioactivity of exogenous treatment of these GS compounds in PIN1 localization, Arabidopsis root growth, and gravitrophic response suggest that indolyl and aromatic GSs may be antagonistic to IAA transport and biosynthesis. Indolyl and aromatic GSs can also be potentially converted into IAA by hydrolysis. This intrinsic feature of GSs may be the part of a sophisticated regulatory process where the metabolic pathways in the plant shift from active growth to a reversible defense posture in response to biotic or abiotic stress. It seems likely that indolyl and aromatic GSs are important compounds that provide connections between jasmonate and auxin signaling. Further studies are required to reveal the regulatory mechanism for crosstalk between the two hormones. The third part of this research was to investigate effect of selenium fertilization and MeJA treatment on accumulation of GSs in broccoli florets. Increasing dietary intake of the element selenium (Se) has been shown to reduce the risk of cancer. Simultaneous enhancement of both Se and GS concentrations in broccoli floret tissue were conducted through the combined treatment of MeJA with Se fertilization. A low level of Se fertilization (concentration) with MeJA treatment displayed no significant changes in total aliphatic GS concentrations with 90% and 50% increases in indolyl and total GSs concentrations, respectively. This result suggests that Se- and GS-enriched broccoli with improved health-promoting properties can be generated by this combined treatment. The second topic of this thesis was conducted to provide basic information required to improve biomass quality and productivity and develop tools for gene transformation in Miscanthus x giganteus. The perennial rhizomatous grass, Miscanthus x giganteus is an ideal biomass crop due to its rapid vegetative growth and high biomass yield potential. As a naturally occurring sterile hybrid, M. x giganteus must be propagated vegetatively by mechanicalling divided rhizomes or from micropropagated plantlets. The effect of callus type, age and culture methods on regeneration competence was studied to improve regeneration efficiency and shorten the period of tissue culture in M. x giganteus propagation. Seven lignin biosynthesis genes and one putative flowering gene were isolated from M. x giganteus by PCR reactions using maize othologous sequences. Southern hybridization and nuclear DNA content analysis indicated that the genes isolated from M. x giganteus exist in the genome of other Miscanthus species as multiple copies. Analysis of lignin content and histological staining of lignin deposition indicated that higher lignin content is found in mature stem node tissues compared to young leaves and apical stem nodal tissues. Cell wall lignification is associated with increasing tissue maturity in Miscanthus species. RNAi and antisense constructs harboring sequences of these genes were developed to generate Miscanthus transgenic plants with suppressed of lignin biosynthesis and delayed flowering.

Diminuição da expressão dos genes APP e CP em doentes de Alzheimer sugere alteração da exportação de ferro celular nesta demência

Recentemente tem-se assistido a um acumular de evidência sugerindo a implicação de uma desregulação do metabolismo do ferro (Fe) na fisiopatologia da doença de Alzheimer (DA). Neste trabalho, pretendemos esclarecer melhor os mecanismos moleculares subjacentes à homeostasia deste metal na DA, particularmente ao nível do efluxo celular. Assim, mediu-se em células mononucleares do sangue periférico de 73 doentes com DA e 74 controlos a expressão de genes diretamente envolvidos na regulação e exportação celular de Fe, utilizando a técnica de PCR quantitativo. Os resultados mostraram uma diminuição significativa na expressão dos genes aconitase (ACO1; P=0,007); ceruloplasmina (CP; P<0,001) e proteína precursora de beta amilóide (APP; P=0,006) em doentes com DA comparativamente com os voluntários saudáveis. Estas observações apontam para uma diminuição significativa da expressão dos genes associados com a exportação de Fe celular mediada pela ferroportina na DA. Assim, o presente estudo reforça resultados anteriores que mostram alterações no metabolismo do Fe e podem estar na origem da retenção intracelular deste metal e aumento de stress oxidativo caraterísticos desta patologia.

AUXIN-BINDING-PROTEIN1 (ABP1) in phytochrome-B-controlled responses

The auxin receptor ABP1 directly regulates plasma membrane activities including the number of PIN-formed (PIN) proteins and auxin efflux transport. Red light (R) mediated by phytochromes regulates the steady-state level of ABP1 and auxin-inducible growth capacity in etiolated tissues but, until now, there has been no genetic proof that ABP1 and phytochrome regulation of elongation share a common mechanism for organ elongation. In far red (FR)-enriched light, hypocotyl lengths were larger in the abp1-5 and abp1/ABP1 mutants, but not in tir1-1, a null mutant of the TRANSPORT-INHIBITOR-RESPONSE1 auxin receptor. The polar auxin transport inhibitor naphthylphthalamic acid (NPA) decreased elongation in the low R: FR light-enriched white light (WL) condition more strongly than in the high red: FR light-enriched condition WL suggesting that auxin transport is an important condition for FR-induced elongation. The addition of NPA to hypocotyls grown in R-and FR-enriched light inhibited hypocotyl gravitropism to a greater extent in both abp1 mutants and in phyB-9 and phyA-211 than the wild-type hypocotyl, arguing for decreased phytochrome action in conjunction with auxin transport in abp1 mutants. Transcription of FR-enriched light-induced genes, including several genes regulated by auxin and shade, was reduced 3-5-fold in abp1-5 compared with Col and was very low in abp1/ABP1. In the phyB-9 mutant the expression of these reporter genes was 5-15-fold lower than in Col. In tir1-1 and the phyA-211 mutants shade-induced gene expression was greatly attenuated. Thus, ABP1 directly or indirectly participates in auxin and light signalling.

Phospholipases and the network of auxin signal transduction with ABP1 and TIR1 as two receptors: a comprehensive and provocative model

Three types of phospholipases, phospholipase D, secreted phospholipase A2, and patatin-related phospholipase A (pPLA) have functions in auxin signal transduction. Potential linkage to auxin receptors ABP1 or TIR1, their rapid activation or post-translational activation mechanisms, and downstream functions regulated by these phospholipases is reviewed and discussed. Only for pPLA all aspects are known at least to some detail. Evidence is gathered that all these signal reactions are located in the cytosol and seem to merge on regulation of PIN-catalyzed auxin efflux transport proteins. As a consequence, auxin concentration in the nucleus is also affected and this regulates the E3 activity of this auxin receptor. We showed that ABP1, PIN2, and pPLA, all outside the nucleus, have an impact on regulation of auxin-induced genes within 30 min. We propose that regulation of PIN protein activities and of auxin efflux transport are the means to coordinate ABP1 and TIR1 activity and that no physical contact between components of the ABP1-triggered cytosolic pathways and TIR1-triggered nuclear pathways of signaling is necessary to perform this.

The role of dinucleoside polyphosphates on the ocular surface and other eye structures

Dinucleoside polyphosphates comprises a group of dinucleotides formed by two nucleosides linked by a variable number of phosphates, abbreviated NpnN (where n represents the number of phosphates). These compounds are naturally occurring substances present in tears, aqueous humour and in the retina. As the consequence of their presence, these dinucleotides contribute to many ocular physiological processes. On the ocular surface, dinucleoside polyphosphates can stimulate tear secretion, mucin release from goblet cells and they help epithelial wound healing by accelerating cell migration rate. These dinucleotides can also stimulate the presence of proteins known to protect the ocular surface against microorganisms, such as lysozyme and lactoferrin. One of the latest discoveries is the ability of some dinucleotides to facilitate the paracellular way on the cornea, therefore allowing the delivery of compounds, such as antiglaucomatous ones, more easily within the eye. The compound Ap4A has been described being abnormally elevated in patient's tears suffering of dry eye, Sjogren syndrome, congenital aniridia, or after refractive surgery, suggesting this molecule as biomarker for dry eye condition. At the intraocular level, some diadenosine polyphosphates are abnormally elevated in glaucoma patients, and this can be related to the stimulation of a P2Y2 receptor that increases the chloride efflux and water movement in the ciliary epithelium. In the retina, the dinucleotide dCp4U, has been proven to be useful to help in the recovery of retinal detachments. Altogether, dinucleoside polyphosphates are a group of compounds which present relevant physiological actions but which also can perform promising therapeutic benefits.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Obésité abdominale et autres déterminants du risque cardiométabolique dans deux populations urbaines noires apparentées : Port-au-Prince (Haïti) et Cotonou (Bénin)

L’obésité est un problème de santé publique reconnu. Dans la dernière décennie l’obésité abdominale (OA) a été considérée comme une maladie métabolique qui contribue davantage au risque de diabète et de maladies cardiovasculaires que l’obésité générale définie par l’indice de masse corporelle. Toutefois, dans les populations d’origine africaine, la relation entre l’OA et les autres biomarqueurs de risque cardiométabolique (RCM) demeure obscure à cause du manque d’études chez ces populations et de l’absence de valeurs-seuils spécifiques pour juger d’une OA. Cette étude visait à comparer la prévalence des biomarqueurs de RCM (OA, hypertension artérielle, hyperglycémie, dyslipidémie, résistance à l'insuline et inflammation pré-clinique) chez les Béninois de Cotonou et les Haïtiens de Port-au-Prince (PAP), à étudier l’association de l’OA avec les autres biomarqueurs de RCM, à documenter le rôle du niveau socio-économique (NSE) et du mode de vie dans cette association et à ’identifier les indicateurs anthropométriques de l’OA -tour de taille (TT) et le ratio TT/hauteur (TT/H)- et les seuils qui prédisent le mieux le RCM à Cotonou et à PAP. Il s’est agi d’une analyse de données transversales chez 452 adultes (52 % hommes) apparemment en bonne santé, âgés de 25 à 60 ans, avec 200 sujets vivant à Cotonou (Bénin) et 252 sujets à PAP (Haïti). Les biomarqueurs de RCM considérés étaient : le syndrome métabolique (SMet) d’après les critères harmonisés de 2009 et ses composantes individuelles - une OA à partir d’un TT ≥ 94cm chez les hommes et ≥ 80cm chez les femmes, une hypertension, une dyslipidémie et une hyperglycémie; la résistance à l’insuline définie chez l’ensemble des sujets de l’étude à partir du 75e centile de l’Homeostasis Model Assessment (HOMA-IR); un ratio d’athérogénicité élevé (Cholestérol sérique total/HDL-Cholestérol); et l’inflammation pré-clinique mesurée à partir d’un niveau de protéine C-réactive ultrasensible (PCRus) entre 3 et 10 mg/l. Le ratio TT/H était aussi considéré pour définir l’OA à partir d’un seuil de 0,5. Les données sur les habitudes alimentaires, la consommation d’alcool, le tabagisme, les caractéristiques sociodémographiques et les conditions socio-économiques incluant le niveau d’éducation et un proxy du revenu (basé sur l’analyse par composante principale des biens et des possessions) ont été recueillies au moyen d’un questionnaire. Sur la base de données de fréquence de consommation d’aliments occidentaux, urbains et traditionnels, des schémas alimentaires des sujets de chaque ville ont été identifiés par analyse typologique. La validité et les valeurs-seuils de TT et du ratio TT/H prédictives du RCM ont été définies à partir des courbes ROC (Receiver Operating Characteristics). Le SMet était présent chez 21,5 % et 16,1 % des participants, respectivement à Cotonou et à PAP. La prévalence d’OA était élevée à Cotonou (52,5 %) qu’à PAP (36%), avec une prévalence plus élevée chez les femmes que chez les hommes. Le profil lipidique sérique était plus athérogène à PAP avec 89,3 % d’HDL-c bas à PAP contre 79,7 % à Cotonou et un ratio CT/HDL-c élevé de 73,4 % à PAP contre 42 % à Cotonou. Les valeurs-seuils spécifiques de TT et du TT/H étaient respectivement 94 cm et 0,59 chez les femmes et 80 cm et 0,50 chez les hommes. Les analyses multivariées de l’OA avec les biomarqueurs de RCM les plus fortement prévalents dans ces deux populations montraient que l’OA était associée à un risque accru de résistance à l’insuline, d’athérogénicité et de tension artérielle élevée et ceci, indépendamment des facteurs socio-économiques et du mode de vie. Deux schémas alimentaires ont émergé, transitionnel et traditionnel, dans chaque ville, mais ceux-ci ne se révélaient pas associés aux biomarqueurs de RCM bien qu’ils soient en lien avec les variables socio-économiques. La présente étude confirme la présence de plusieurs biomarqueurs de RCM chez des sujets apparemment sains. En outre, l’OA est un élément clé du RCM dans ces deux populations. Les seuils actuels de TT devraient être reconsidérés éventuellement à la lumière d’études de plus grande envergure, afin de mieux définir l’OA chez les Noirs africains ou d’origine africaine, ce qui permettra une surveillance épidémiologique plus adéquate des biomarqueurs de RCM.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Demonstration of the interactions between aromatic compound-loaded lipid nanocapsules and Acinetobacter baumannii bacterial membrane

International audience