Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1.

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

Expression and variability of molecular chaperones in the sugarcane expressome

Molecular chaperones perform folding assistance in newly synthesized polypeptides preventing aggregation processes, recovering proteins from aggregates, among other important cellular functions. Thus their study presents great biotechnological importance. The present work discusses the mining for chaperone-related sequences within the sugarcane EST genome project database, which resulted in approximately 300 different sequences. Since molecular chaperones are highly conserved in most organisms studied so far, the number of sequences related to these proteins in sugarcane was very similar to the number found in the Arabidopsis thaliana genome. The Hsp70 family was the main molecular chaperone system present in the sugarcane expressome. However, many other relevant molecular chaperones systems were also present. A digital RNA blot analysis showed that 5'ESTs from all molecular chaperones were found in every sugarcane library, despite their heterogeneous expression profiles. The results presented here suggest the importance of molecular chaperones to polypeptide metabolism in sugarcane cells, based on their abundance and variability. Finally, these data have being used to guide more in deep analysis, permitting the choice of specific targets to study. (c) 2006 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Chemical Chaperones Curcumin and 4-Phenylbutyric Acid Improve Secretion of Mutant Factor H R127H by Fibroblasts from a Factor H-Deficient Patient

Factor H (FH) is one of the most important regulatory proteins of the alternative pathway of the complement system. Patients with FH deficiency have a higher risk for development of infections and kidney diseases because of the uncontrolled activation and subsequent depletion of the central regulatory component C3 of the complement system. In this study, we investigated the consequences of the Arg(127)His mutation in FH (FHR127H) previously described in an FH-deficient patient, on the secretion of this protein by skin fibroblasts in vitro. We observed that, although the patient cells stimulated with IFN-gamma were able to synthesize FHR127H, the mutant protein was largely retained within the endoplasmic reticulum (ER), whereas normal human fibroblasts stimulated with IFN-gamma secrete FH without retention in the ER. Moreover, the retention of FHR127H provoked enlargement of ER cisterns after treatment with IFN-gamma. A similar ER retention was observed in Cos-7 cells expressing the mutant FHR127H protein. Despite this deficiency in secretion, we show that the FHR127H mutant is capable of functioning as a cofactor in the Factor I-mediated cleavage of C3. We then evaluated whether a treatment could increase the secretion of FH, and observed that the patient's fibroblasts treated with the chemical chaperones 4-phenylbutiric acid or curcumin increased the secretion rate of FH. We propose that these chemical chaperones could be used as alternative therapeutic agents to increase FH plasma levels in FH-deficient patients caused by secretion delay of this regulatory protein. The Journal of Immunology, 2012, 189: 3242-3248.

Molecular interactions: metal ions and protein chaperones in the urease system from Helicobacter pylori

Although nickel is a toxic metal for living organisms in its soluble form, its importance in many biological processes recently emerged. In this view, the investigation of the nickel-dependent enzymes urease and [NiFe]-hydrogenase, especially the mechanism of nickel insertion into their active sites, represent two intriguing case studies to understand other analogous systems and therefore to lead to a comprehension of the nickel trafficking inside the cell. Moreover, these two enzymes have been demonstrated to ensure survival and colonization of the human pathogen H. pylori, the only known microorganism able to proliferate in the gastric niche. The right nickel delivering into the urease active site requires the presence of at least four accessory proteins, UreD, UreE, UreF and UreG. Similarly, analogous process is principally mediated by HypA and HypB proteins in the [NiFe]-hydrogenase system. Indeed, HpHypA and HpHypB also have been proposed to act in the activation of the urease enzyme from H. pylori, probably mobilizing nickel ions from HpHypA to the HpUreE-HpUreG complex. A complete comprehension of the interaction mechanism between the accessory proteins and the crosstalk between urease and hydrogenase accessory systems requires the determination of the role of each protein chaperone that strictly depends on their structural and biochemical properties. The availability of HpUreE, HpUreG and HpHypA proteins in a pure form is a pre-requisite to perform all the subsequent protein characterizations, thus their purification was the first aim of this work. Subsequently, the structural and biochemical properties of HpUreE were investigated using multi-angle and quasi-elastic light scattering, as well as NMR and circular dichroism spectroscopy. The thermodynamic parameters of Ni2+ and Zn2+ binding to HpUreE were principally established using isothermal titration calorimetry and the importance of key histidine residues in the process of binding metal ions was studied using site-directed mutagenesis. The molecular details of the HpUreE-HpUreG and HpUreE-HpHypA protein-protein assemblies were also elucidated. The interaction between HpUreE and HpUreG was investigated using ITC and NMR spectroscopy, and the influence of Ni2+ and Zn2+ metal ions on the stabilization of this association was established using native gel electrophoresis, light scattering and thermal denaturation scanning followed by CD spectroscopy. Preliminary HpUreE-HpHypA interaction studies were conducted using ITC. Finally, the possible structural architectures of the two protein-protein assemblies were rationalized using homology modeling and docking computational approaches. All the obtained data were interpreted in order to achieve a more exhaustive picture of the urease activation process, and the correlation with the accessory system of the hydrogenase enzyme, considering the specific role and activity of the involved protein players. A possible function for Zn2+ in the chaperone network involved in Ni2+ trafficking and urease activation is also envisaged.

Stress-induced targeting of molecular chaperones in the yeast Saccharomyces cerevisiae

The eukaryotic stress response is an essential mechanism that helps protect cells from a variety of environmental stresses. Cell death can result if cells are not able to properly adapt and protect themselves against adverse stress conditions. Failure to properly deal with stress has implications in human diseases including neurodegenerative disorders and distinct cancers, emphasizing the importance of understanding the eukaryotic stress response in detail. As part of this response, expression of a battery of heat shock proteins (HSP) is induced, which act as molecular chaperones to assist in the repair or triage of unfolded proteins. The 90-kDa HSP (Hsp90) operates in the context of a multi-chaperone complex to promote the maturation of nuclear and cytoplasmic clients. I have discovered that Hsp90 and the co-chaperone Sba1 accumulate in the nucleus of quiescent Saccharomyces cerevisiae cells in a karyopherin-dependent manner. I isolated nuclear accumulation- defective HSP82 mutant alleles to probe the nature of this targeting event and identified a mutant with a single amino acid substitution (I578F) sufficient to prevent nuclear accumulation of Hsp90 in quiescent cells. Diploid hsp82-I578F cells exhibited pronounced defects in spore wall construction and maturation, resulting in catastrophic sporulation. The mislocalization and sporulation phenotypes were shared by another previously identified HSP82 mutant allele, further linking localization to Hsp90 functional status. Pharmacological inhibition of Hsp90 with macbecin in sporulating diploid cells also blocked spore formation, underscoring the importance of this chaperone in this developmental program. The yeast molecular chaperone Hsp104 is a member of the Hsp100 superfamily of AAA+ ATPases. Unlike the Hsp90 family of chaperones, Hsp104 is not restricted to a specific set of client proteins, but rather assists in reactivating stress-denatured proteins by solubilizing protein aggregates. I have discovered that Hsp104, along with the Hsp70 chaperone, Ssa1, and the sHSP Hsp26 accumulate into RNA processing bodies (P- bodies) and stress granules, sites of mRNA metabolism. I found that Hsp104 recruits both Ssa1 and Hsp26 to P-bodies and that these three chaperones are required for stress granule formation. These findings suggest a possible role for chaperones in mRNA metabolism by aiding in the assembly, disassembly or conversion of these enigmatic mRNP complexes. Taken together, the work presented in this dissertation serves to better understand the eukaryotic stress response by illustrating the importance of subcellular-chaperone localization in key biological processes.

All in the family: atypical Hsp70 chaperones are conserved modulators of Hsp70 activity.

Divergent relatives of the Hsp70 protein chaperone such as the Hsp110 and Grp170 families have been recognized for some time, yet their biochemical roles remained elusive. Recent work has revealed that these "atypical" Hsp70s exist in stable complexes with classic Hsp70s where they exert a powerful nucleotide-exchange activity that synergizes with Hsp40/DnaJ-type cochaperones to dramatically accelerate Hsp70 nucleotide cycling. This represents a novel evolutionary transition from an independent protein-folding chaperone to what appears to be a dedicated cochaperone. Contributions of the atypical Hsp70s to established cellular roles for Hsp70 now must be deciphered.

Hsp110 chaperones control client fate determination in the hsp70-Hsp90 chaperone system.

Heat shock protein 70 (Hsp70) plays a central role in protein homeostasis and quality control in conjunction with other chaperone machines, including Hsp90. The Hsp110 chaperone Sse1 promotes Hsp90 activity in yeast, and functions as a nucleotide exchange factor (NEF) for cytosolic Hsp70, but the precise roles Sse1 plays in client maturation through the Hsp70-Hsp90 chaperone system are not fully understood. We find that upon pharmacological inhibition of Hsp90, a model protein kinase, Ste11DeltaN, is rapidly degraded, whereas heterologously expressed glucocorticoid receptor (GR) remains stable. Hsp70 binding and nucleotide exchange by Sse1 was required for GR maturation and signaling through endogenous Ste11, as well as to promote Ste11DeltaN degradation. Overexpression of another functional NEF partially compensated for loss of Sse1, whereas the paralog Sse2 fully restored GR maturation and Ste11DeltaN degradation. Sse1 was required for ubiquitinylation of Ste11DeltaN upon Hsp90 inhibition, providing a mechanistic explanation for its role in substrate degradation. Sse1/2 copurified with Hsp70 and other proteins comprising the "early-stage" Hsp90 complex, and was absent from "late-stage" Hsp90 complexes characterized by the presence of Sba1/p23. These findings support a model in which Hsp110 chaperones contribute significantly to the decision made by Hsp70 to fold or degrade a client protein.

BIOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF BINDING PARTNERS OF TWO HSP70 CO-CHAPERONES IN SACCHAROMYCES CEREVISIAE

Cells are exposed to a variety of environmental and physiological changes including temperature, pH and nutrient availability. These changes cause stress to cells, which results in protein misfolding and altered cellular protein homeostasis. How proteins fold into their three-dimensional functional structure is a fundamental biological process with important relevance to human health. Misfolded and aggregated proteins are linked to multiple neurodegenerative diseases, cardiovascular disease and cystic fibrosis. To combat proteotoxic stress, cells deploy an array of molecular chaperones that assist in the repair or removal of misfolded proteins. Hsp70, an evolutionarily conserved molecular chaperone, promotes protein folding and helps maintain them in a functional state. Requisite co-chaperones, including nucleotide exchange factors (NEFs) strictly regulate and serve to recruit Hsp70 to distinct cellular processes or locations. In yeast and human cells, three structurally non-related cytosolic NEFs are present: Sse1 (Hsp110), Fes1 (HspBP1) and Snl1 (Bag-1). Snl1 is unique among the cytosolic NEFs as it is localized at the ER membrane with its Hsp70 binding (BAG) domain exposed to the cytosol. I discovered that Snl1 distinctly interacts with assembled ribosomes and several lines of evidence indicate that this interaction is both independent of and concurrent with binding to Hsp70 and is not dependent on membrane localization. The ribosome-binding site is identified as a short lysine-rich motif within the amino terminus of the Snl1 BAG domain distinct from the Hsp70 interaction region. In addition, I demonstrate ribosome association with the Snl1 homolog in the pathogenic fungus, Candida albicans and localize this putative NEF to a perinuclear/ER membrane, suggesting functional conservation in fungal BAG domain-containing proteins. As a first step in determining specific domain architecture in fungal BAG proteins, I present the preliminary steps of protein purification and analysis of the minimal Hsp70 binding region in in both S.cerevisiae and C. albicans Snl1. Contrary to previous in vitro evidence which showed the Fes1 NEF to interact with both cytosolic Hsp70s, Ssa and Ssb, Fes1 is shown to interact specifically with Ssa when expressed under normal cellular conditions in S. cerevisiae. This is the first reported evidence of Hsp70 binding selectivity for a cytosolic NEF, and suggests a possible mechanism to achieve specificity in Hsp70-dependent functions. Taken together, the work presented in this dissertation highlights the striking divergence among Hsp70 co-chaperones in selecting binding partners, which may correlate with their specific roles in the cell.

Chemical chaperones mediate increased secretion of mutant α1-antitrypsin (α1-AT) Z: A potential pharmacological strategy for prevention of liver injury and emphysema in α1-AT deficiency

In α1-AT deficiency, a misfolded but functionally active mutant α1-ATZ (α1-ATZ) molecule is retained in the endoplasmic reticulum of liver cells rather than secreted into the blood and body fluids. Emphysema is thought to be caused by the lack of circulating α1-AT to inhibit neutrophil elastase in the lung. Liver injury is thought to be caused by the hepatotoxic effects of the retained α1-ATZ. In this study, we show that several “chemical chaperones,” which have been shown to reverse the cellular mislocalization or misfolding of other mutant plasma membrane, nuclear, and cytoplasmic proteins, mediate increased secretion of α1-ATZ. In particular, 4-phenylbutyric acid (PBA) mediated a marked increase in secretion of functionally active α1-ATZ in a model cell culture system. Moreover, oral administration of PBA was well tolerated by PiZ mice (transgenic for the human α1-ATZ gene) and consistently mediated an increase in blood levels of human α1-AT reaching 20–50% of the levels present in PiM mice and normal humans. Because clinical studies have suggested that only partial correction is needed for prevention of both liver and lung injury in α1-AT deficiency and PBA has been used safely in humans, it constitutes an excellent candidate for chemoprophylaxis of target organ injury in α1-AT deficiency.

The glyoxysomal and plastid molecular chaperones (70-kDa heat shock protein) of watermelon cotyledons are encoded by a single gene

The monoclonal a-70-kDa heat shock protein (hsp70) antibody recognizes in crude extracts from watermelon (Citrullus vulgaris) cotyledons two hsps with molecular masses of 70 and 72 kDa. Immunocytochemistry on watermelon cotyledon tissue and on isolated glyoxysomes identified hsp70s in the matrix of glyoxysomes and plastids. Affinity purification and partial amino acid determination revealed the 70-kDa protein to share high sequence identity with cytosolic hsp70s from a number of plant species, while the 72 kDa protein was very similar to plastid hsp70s from pea and cucumber. A full-length cDNA clone encoding the 72-kDa hsp70 was isolated and identified two start methionines in frame within the N-terminal presequence leading either to an N-terminal extension of 67 amino acids or to a shorter one of 47 amino acids. The longer presequence was necessary and sufficient to target a reporter protein into watermelon proplastids in vitro. The shorter extension starting from the second methionine within the long version harbored a consensus peroxisomal targeting signal (RT-X5-KL) that directed in vivo a reporter protein into peroxisomes of the yeast Hansenula polymorpha. Peroxisomal targeting was however prevented, when the 67-residue presequence was fused to the reporter protein, indicating that the peroxisomal targeting signal 2 information is hidden in this context. We propose that the 72-kDa hsp70 is encoded by a single gene, but targeted alternatively into two organelles by the modulated use of its presequence.

Perturbations in maturation of secretory proteins and their association with endoplasmic reticulum chaperones in a cell culture model for epithelial ischemia.

The effects of ischemia on the maturation of secretory proteins are not well understood. Among several events that occur during ischemia-reperfusion are a rapid and extensive decrease in ATP levels and an alteration of cellular oxidative state. Since the normal folding and assembly of secretory proteins are mediated by endoplasmic reticulum (ER) molecular chaperones, the function of which depends on ATP and maintenance of an appropriate redox environment, ischemia might be expected to perturb folding of secretory proteins. In this study, whole animal and cultured cell models for the epithelial ischemic state were used to examine this possibility. After acute kidney ischemia, marked increases in the mRNA levels of the ER chaperones glucose-regulated protein (grp)78/immunoglobulin-binding protein (BiP), grp94, and ER protein (ERp)72 were noted. Likewise, when cellular ATP was depleted to less than 10% of control with antimycin A, mRNA levels of BiP, ERp72, and grp94 were increased in kidney and thyroid epithelial cell culture models. Since the signal for the up-regulation of these stress proteins is believed to be the accumulation of misfolded/misassembled secretory proteins in the ER, their induction after ischemia in vivo and antimycin treatment of cultured cells suggests that maturation of secretory proteins in the ER lumen might indeed be perturbed. To analyze the effects of antimycin A on the maturation of secretory proteins, we studied the fate of thyroglobulin (Tg), a large oligomeric secretory glycoprotein, the folding and assembly of which seems to require a variety of ER chaperones. Treatment of cultured thyroid epithelial cells with antimycin A greatly inhibited ( > 90%) the secretion of Tg. Sucrose density gradient analysis revealed that in antimycin A-treated cells Tg associates into large macromolecular complexes which, by immunofluorescence, appeared to localize to the ER. Furthermore, coimmunoprecipitation studies after antimycin A treatment demonstrated that Tg stably associates with BiP, grp94, and ERp72. Together, our results suggest that a key cellular lesion in ischemia is the misfolding of secretory proteins as they transit the ER, and this leads not only to increased expression of ER chaperones but also to their stable association with and the subsequent retention of at least some misfolded secretory proteins.

The Effects of Molecular Chaperones on Tau Fibril Assembly

The accumulation of microtubule-associated protein tau into fibrillar aggregates is the hallmark of Alzheimer’s disease and other neurodegenerative disorders, collectively referred to as tauopathies. Fibrils can propagate from one cell to the next and spread throughout the brain. However, a study shows that only small aggregates can be taken up by cultured neuronal cells. The mechanisms that lead to the breakage of fibrils into smaller fragments remain unknown. In yeast, the AAA+ chaperone HSP104 processes the reactivation of protein aggregates and is responsible for fragmentation of fibrils. This study focused on investigating the effects of molecular chaperones on tau fibrils and using HSP104 as a model system to test whether we can monitor fibril fracturing. The assays used to detect the chaperone’s actions on tau utilized acrylodan fluorescence, thioflavin T fluorescence, and sedimentation. Tau fibrils were either formed with a cofactor, heparin, to accelerate assembly or without a cofactor. In the process of investigating the effects of HSP104 on tau fibrils, this study established an assay to determine the effects of breakage on the seeding properties of tau fibrils. Our findings demonstrated that the sonication of tau fibrils produces smaller fragments (seeds) that accelerate the conversion of monomeric tau into fibrils. The use of this assay with HSP104 provided evidence that HSP104 inhibits the elongation of tau fibrils. Indeed, HSP104 inhibits the aggregation of soluble tau into aggregates. However, tau fibril breakage and dissociation were not observed with HSP104, either alone or in combination with co-chaperones (HSP70 and HSP40). Our findings provide insights into the seeding properties of tau fibrils, and suggest that fragmentation is a critical part of tau assembly. This knowledge should be valuable for understanding tau fibril aggregation and propagation in the brain, which is necessary to identify new treatments for neurodegenerative diseases.

Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.