Caspase-1 is activated in neural cells and tissue with amyotrophic lateral sclerosis-associated mutations in copper-zinc superoxide dismutase

The mechanism by which mutations in the superoxide dismutase (SOD1) gene cause motor neuron degeneration in familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is unknown. Recent reports that neuronal death in SOD1-familial ALS is apoptotic have not documented activation of cell death genes. We present evidence that the enzyme caspase-1 is activated in neurons expressing mutant SOD1 protein. Proteolytic processing characteristic of caspase-1 activation is seen both in spinal cords of transgenic ALS mice and neurally differentiated neuroblastoma (line N2a) cells with SOD1 mutations. This activation of caspase-1 is enhanced by oxidative challenge (xanthine/xanthine oxidase), which triggers cleavage and secretion of the interleukin 1β converting enzyme substrate, pro-interleukin 1β, and induces apoptosis. This N2a culture system should be an instructive in vitro model for further investigation of the proapoptotic properties of mutant SOD1.

Identification of a Functional Homolog of the Yeast Copper Homeostasis Gene ATX1 from Arabidopsis1

A cDNA clone encoding a homolog of the yeast (Saccharomyces cerevisiae) gene Anti-oxidant 1 (ATX1) has been identified from Arabidopsis. This gene, referred to as Copper CHaperone (CCH), encodes a protein that is 36% identical to the amino acid sequence of ATX1 and has a 48-amino acid extension at the C-terminal end, which is absent from ATX1 homologs identified in animals. ATX1-deficient yeast (atx1) displayed a loss of high-affinity iron uptake. Expression of CCH in the atx1 strain restored high-affinity iron uptake, demonstrating that CCH is a functional homolog of ATX1. When overexpressed in yeast lacking the superoxide dismutase gene SOD1, both ATX1 and CCH protected the cell from the reactive oxygen toxicity that results from superoxide dismutase deficiency. CCH was unable to rescue the sod1 phenotype in the absence of copper, indicating that CCH function is copper dependent. In Arabidopsis CCH mRNA is present in the root, leaf, and inflorescence and is up-regulated 7-fold in leaves undergoing senescence. In plants treated with 800 nL/L ozone for 30 min, CCH mRNA levels increased by 30%. In excised leaves and whole plants treated with high levels of exogenous CuSO4, CCH mRNA levels decreased, indicating that CCH is regulated differently than characterized metallothionein proteins in Arabidopsis.

The Golgi apparatus of spinal cord motor neurons in transgenic mice expressing mutant Cu,Zn superoxide dismutase becomes fragmented in early, preclinical stages of the disease.

Dominant mutations of the SOD1 gene encoding Cu,Zn superoxide dismutase have been found in members of certain families with familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS). To better understand the contribution of SOD1 mutations in the pathogenesis of familial ALS, we developed transgenic mice expressing one of the mutations found in familial ALS. These animals display clinical and pathological features closely resembling human ALS. Early changes observed in these animals were intra-axonal and dendritic vacuoles due to dilatation of the endoplasmic reticulum and vacuolar degeneration of mitochondria. We have reported that the Golgi apparatus of spinal cord motor neurons in patients with sporadic ALS is fragmented and atrophic. In this study we show that spinal cord motor neurons of transgenic mice for an SOD1 mutation display a lesion of the Golgi apparatus identical to that found in humans with sporadic ALS. In these mice, the stacks of the cisternae of the fragmented Golgi apparatus are shorter than in the normal organelle, and there is a reduction in Golgi-associated vesicles and adjacent cisternae of the rough endoplasmic reticulum. Furthermore, the fragmentation of the Golgi apparatus occurs in an early, presymptomatic stage and usually precedes the development of the vacuolar changes. Transgenic mice overexpressing the wild-type human superoxide dismutase are normal. In familial ALS, an early lesion of the Golgi apparatus of motor neurons may have adverse functional effects, because newly synthesized proteins destined for fast axoplasmic transport pass through the Golgi apparatus.

The contrasting roles of ICE family proteases and interleukin-1beta in apoptosis induced by trophic factor withdrawal and by copper/zinc superoxide dismutase down-regulation.

We compare here the mechanisms of apoptotic death of PC12 cells induced by down-regulation of Cu2+,Zn2+ superoxide dismutase (SOD1) and withdrawal of trophic support (serum/nerve growth factor). Our previous results indicated that the initiating causes of death are different in each paradigm. However, bcl-2 rescues cells in either paradigm, suggesting common downstream elements to the cell death pathway. To determine whether the ICE [interleukin 1beta converting enzyme] family of proteases, which is required for apoptosis on trophic factor withdrawal, is also required for apoptosis induced by oxidative stress, we have developed a novel peptide inhibitor that mimics the common catalytic site of these enzymes and thereby blocks their access to substrates. This differs from the more usual pseudosubstrate approach to enzyme inhibition. Blockade of ICE family proteases by either this inhibitor or by a permeant competitive ICE family antagonist rescues PC12 cells from apoptotic death following apoptosis induced by down-regulation of SOD1, as well as from trophic factor/nerve growth factor deprivation. SOD1 down-regulation results in an increase in interleukin 1beta (IL- 1beta) production by the cells, and cell death under these conditions can be prevented by either blocking antibodies against IL-1beta or the IL-1 receptor antagonist (IL-1Ralpha). In contrast, trophic factor withdrawal does not increase IL-1beta secretion, and the blocking antibody failed to protect PC12 cells from trophic factor withdrawal, whereas the receptor antagonist was only partially protective at very high concentrations. There were substantial differences in the concentrations of pseudosubstrate inhibitors which rescued cells from SOD1 down-regulation and trophic factor deprivation. These results suggest the involvement of different members of the ICE family, different substrates, or both in the two different initiating causes of cell death.

Transgenic mice carrying a human mutant superoxide dismutase transgene develop neuronal cytoskeletal pathology resembling human amyotrophic lateral sclerosis lesions.

Mutations in the human Cu,Zn superoxide dismutase gene (SOD1) are found in 20% of kindreds with familial amyotrophic lateral sclerosis. Transgenic mice (line G1H) expressing a human SOD1 containing a mutation of Gly-93 --> Ala (G93A) develop a motor neuron disease similar to familial amyotrophic lateral sclerosis, but transgenic mice (line N1029) expressing a wild-type human SOD1 transgene do not. Because neurofilament (NF)-rich inclusions in spinal motor neurons are characteristic of amyotrophic lateral sclerosis, we asked whether mutant G1H and/or N1029 mice develop similar NF lesions. NF inclusions (i.e., spheroids, Lewy body-like inclusions) were first detected in spinal cord motor neurons of the G1H mice at 82 days of age about the time these mice first showed clinical evidence of disease. Other neuronal intermediate filament proteins (alpha-internexin, peripherin) also accumulated in these spheroids. The onset of accumulations of ubiquitin immunoreactivity in the G1H mice paralleled the emergence of vacuoles and NF-rich spheroids in neurons, but they did not colocalize exclusively with spheroids. In contrast, NF inclusions were not seen in the N1029 mice until they were 132 days old, and ubiquitin immunoreactivity was not increased in the N1029 mice even at 199 days of age. Astrocytosis in spinal cord was associated with a marked increase in glial fibrillary acidic protein immunoreactivity in the G1H mice, but not in the N1029 mice. Finally, comparative studies revealed a striking similarity between the cytoskeletal pathology in the G1H transgenic mice and in patients with amyotrophic lateral sclerosis. These findings link a specific SOD1 mutation with alterations in the neuronal cytoskeleton of patients with amyotrophic lateral sclerosis. Thus, neuronal cytoskeletal abnormalities may be implicated in the pathogenesis of human familial amyotrophic lateral sclerosis.

Sensitivity of antioxidant-deficient yeast to hypochlorite and chlorite

Sodium hypochlorite and sodium chlorite are commonly used as disinfectants, and understanding the mechanisms of microbial resistance to these compounds is of considerable importance. In this study, the role of oxidative stress and antioxidant enzymes in the sensitivity of the yeast Saccharomyces cerevisiae to hypochlorite and chlorite was studied. Yeast mutants lacking Cu-Zn superoxide dismutase, but not mutants deficient in cytoplasmic and peroxisomal catalase, were hypersensitive to the action of both hypochlorite and chlorite. Both compounds depleted cellular glutathione, induced the production of reactive oxygen species and decreased the viability of the cells. The toxicity of hypochlorite and chlorite was abolished by hypoxic and anoxic conditions and ameliorated by thiol antioxidants and ascorbate. The results demonstrated that the action of hypochlorite and chlorite involves the formation of superoxide and peroxide and that SOD1 is protective, probably by limiting the formation of hydroxyl radicals and damage to proteins.

Decreased NADPH oxidase expression and antioxidant activity in cachectic skeletal muscle

Background - Cancer cachexia is the progressive loss of skeletal muscle protein that contributes significantly to cancer morbidity and mortality. Evidence of antioxidant attenuation and the presence of oxidised proteins in patients with cancer cachexia indicate a role for oxidative stress. The level of oxidative stress in tissues is determined by an imbalance between reactive oxygen species production and antioxidant activity. This study aimed to investigate the superoxide generating NADPH oxidase (NOX) enzyme and antioxidant enzyme systems in murine adenocarcinoma tumour-bearing cachectic mice. Methods - Superoxide levels, mRNA levels of NOX enzyme subunits and the antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidise (GPx) and catalase was measured in the skeletal muscle of mice with cancer and cancer cachexia. Protein expression levels of NOX enzyme subunits and antioxidant enzyme activity was also measured in the same muscle samples. Results - Superoxide levels increased 1.4-fold in the muscle of mice with cancer cachexia, and this was associated with a decrease in mRNA of NOX enzyme subunits, NOX2, p40phox and p67phox along with the antioxidant enzymes SOD1, SOD2 and GPx. Cancer cachexia was also associated with a 1.3-fold decrease in SOD1 and 2.0-fold decrease in GPx enzyme activity. Conclusion - Despite increased superoxide levels in cachectic skeletal muscle, NOX enzyme subunits, NOX2, p40phox and p67phox, were downregulated along with the expression and activity of the antioxidant enzymes. Therefore, the increased superoxide levels in cachectic skeletal muscle may be attributed to the reduction in the activity of endogenous antioxidant enzymes.

Alterações hepáticas na expressão gênica e atividade da catalase e superóxido dimutase em ratos diabéticos induzidos por estreptozootocina

The correlation between the type 1 diabetes mellitus and oxidative stress have been described in several studies, however its underlying mechanisms are not fully elucidated. The present work aimed to evaluate the effects of four weeks of streptozootocin-induced (STZ) diabetes in the redox homeostasis of rat hepatocytes. Thus, the liver of male Wistar rats from control and diabetic groups were collected and the activity and expression of antioxidant enzymes, as well the main markers of oxidative stress and content of H2O2 in these tissues were measured. The diabetes induced the activity of superoxide dismutase (SOD) and the gene expression of its mitochondrial isoform, SOD2. However, the expression of SOD1, the cytoplasmic isoform, was reduced by this disease. The activity and expression of catalase (CAT), as well the expression of glutathione peroxidase 1 (GPX1) and peroxiredoxin 4 (PRX4) were drastically reduced in the hepatocytes of diabetics rats. Even with this debility in the peroxidases mRNA expression, the content of H2O2 was reduced in the liver of diabetics rats when compared to the control group. The diabetes caused an increase of lipid peroxidation and a decrease of protein thiol content, showing that this disease causes distinct oxidative effects in different cell biomolecules. Our results indicate that four week of diabetes induced by STZ is already enough to compromise the enzymatic antioxidant systems of the hepatocytes.

Étude de la toxicité causée par le gène C9orf72 dans la Sclérose Latérale Amyotrophique

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative qui affecte les neurones moteurs. 10% des cas sont des cas familiaux et l’étude de ces familles a mené à la découverte de plusieurs gènes pouvant causer la SLA, incluant SOD1, TARDBP et FUS. L’expansion de la répétition GGGGCC dans le gène C9orf72 est, à ce jour, la cause la plus connue de SLA. L’impact de cette expansion est encore méconnu et il reste à déterminer si la toxicité est causée par un gain de fonction, une perte de fonction ou les deux. Plusieurs gènes impliqués dans la SLA sont conservés entre le nématode Caenorhabditis elegans et l’humain. C. elegans est un vers transparent fréquemment utilisé pour des études anatomiques, comportementales et génétiques. Il possède une lignée cellulaire invariable qui inclue 302 neurones. Aussi, les mécanismes de réponse au stress ainsi que les mécanismes de vieillissement sont très bien conservés entre ce nématode et l’humain. Donc, notre groupe, et plusieurs autres, ont utilisé C. elegans pour étudier plusieurs aspects de la SLA. Pour mieux comprendre la toxicité causée par l’expansion GGGGCC de C9orf72, nous avons développé deux modèles de vers pour étudier l’impact d’une perte de fonction ainsi que d’un gain de toxicité de l’ARN. Pour voir les conséquences d’une perte de fonction, nous avons étudié l’orthologue de C9orf72 dans C. elegans, alfa-1 (ALS/FTD associated gene homolog). Les vers mutants alfa-1(ok3062) développent des problèmes moteurs causant une paralysie et une dégénérescence spécifique des neurones moteurs GABAergiques. De plus, les mutants sont sensibles au stress osmotique qui provoque une dégénérescence. D’autre part, l’expression de la séquence d’ARN contenant une répétition pathogénique GGGGCC cause aussi des problèmes moteurs et de la dégénérescence affectant les neurones moteurs. Nos résultats suggèrent donc qu’un gain de toxicité de l’ARN ainsi qu’une perte de fonction de C9orf72 sont donc toxiques pour les neurones. Puisque le mouvement du vers peut être rapidement évalué en cultivant les vers dans un milieu liquide, nous avons développé un criblage de molécules pouvant affecter le mouvement des vers mutants alfa-1 en culture liquide. Plus de 4 000 composés ont été évalués et 80 ameliore la mobilité des vers alfa-1. Onze molécules ont aussi été testées dans les vers exprimant l’expansion GGGGCC et huit diminuent aussi le phénotype moteur de ces vers. Finalement, des huit molécules qui diminent la toxicité causée par la perte de fonction de C9orf72 et la toxicité de l’ARN, deux restaurent aussi l’expression anormale de plusieurs transcrits d’ARN observée dans des cellules dérivées de patient C9orf72. Avec ce projet, nous voulons identifier des molécules pouvant affecter tous les modes de toxicité de C9orf72 et possiblement ouvrir de nouvelles avenues thérapeutiques

Étude de la toxicité causée par le gène C9orf72 dans la Sclérose Latérale Amyotrophique

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative qui affecte les neurones moteurs. 10% des cas sont des cas familiaux et l’étude de ces familles a mené à la découverte de plusieurs gènes pouvant causer la SLA, incluant SOD1, TARDBP et FUS. L’expansion de la répétition GGGGCC dans le gène C9orf72 est, à ce jour, la cause la plus connue de SLA. L’impact de cette expansion est encore méconnu et il reste à déterminer si la toxicité est causée par un gain de fonction, une perte de fonction ou les deux. Plusieurs gènes impliqués dans la SLA sont conservés entre le nématode Caenorhabditis elegans et l’humain. C. elegans est un vers transparent fréquemment utilisé pour des études anatomiques, comportementales et génétiques. Il possède une lignée cellulaire invariable qui inclue 302 neurones. Aussi, les mécanismes de réponse au stress ainsi que les mécanismes de vieillissement sont très bien conservés entre ce nématode et l’humain. Donc, notre groupe, et plusieurs autres, ont utilisé C. elegans pour étudier plusieurs aspects de la SLA. Pour mieux comprendre la toxicité causée par l’expansion GGGGCC de C9orf72, nous avons développé deux modèles de vers pour étudier l’impact d’une perte de fonction ainsi que d’un gain de toxicité de l’ARN. Pour voir les conséquences d’une perte de fonction, nous avons étudié l’orthologue de C9orf72 dans C. elegans, alfa-1 (ALS/FTD associated gene homolog). Les vers mutants alfa-1(ok3062) développent des problèmes moteurs causant une paralysie et une dégénérescence spécifique des neurones moteurs GABAergiques. De plus, les mutants sont sensibles au stress osmotique qui provoque une dégénérescence. D’autre part, l’expression de la séquence d’ARN contenant une répétition pathogénique GGGGCC cause aussi des problèmes moteurs et de la dégénérescence affectant les neurones moteurs. Nos résultats suggèrent donc qu’un gain de toxicité de l’ARN ainsi qu’une perte de fonction de C9orf72 sont donc toxiques pour les neurones. Puisque le mouvement du vers peut être rapidement évalué en cultivant les vers dans un milieu liquide, nous avons développé un criblage de molécules pouvant affecter le mouvement des vers mutants alfa-1 en culture liquide. Plus de 4 000 composés ont été évalués et 80 ameliore la mobilité des vers alfa-1. Onze molécules ont aussi été testées dans les vers exprimant l’expansion GGGGCC et huit diminuent aussi le phénotype moteur de ces vers. Finalement, des huit molécules qui diminent la toxicité causée par la perte de fonction de C9orf72 et la toxicité de l’ARN, deux restaurent aussi l’expression anormale de plusieurs transcrits d’ARN observée dans des cellules dérivées de patient C9orf72. Avec ce projet, nous voulons identifier des molécules pouvant affecter tous les modes de toxicité de C9orf72 et possiblement ouvrir de nouvelles avenues thérapeutiques

Effet de différents ratios d’acides linoléique/α-linolénique et de l’entérolactone sur les marqueurs du métabolisme des lipides, d’inflammation et de stress oxydatif dans un modèle in vitro de culture de tissus hépatiques bovins

Chez la vache laitière à haut rendement, la période de transition entourant la parturition est généralement accompagnée d’un déficit énergétique, d’un métabolisme des lipides perturbé et d’une augmentation de l’inflammation et du stress oxydatif. Afin d’améliorer la balance énergétique et de diminuer certains effets négatifs associés à la période de transition, il est fréquent que les producteurs administrent des diètes riches en lipides (ex. Mégalac®, riche en acide palmitique) aux vaches laitières à haut rendement. Par exemple, l’ajout de lipides saturés à la ration améliore la balance énergétique et diminue l’accumulation des triglycérides dans le foie. Cependant, plusieurs troubles métaboliques demeurent, tels que l’inflammation et le stress oxydatif, pouvant être observés entre autres au niveau du foie. Comme alternative aux lipides saturés, l’ajout d’acides gras polyinsaturés (AGPIs) pourrait contribuer à améliorer la balance énergétique tout en diminuant certains effets négatifs associés à la période de transition. Toutefois, les AGPIs sont sujets aux phénomènes de peroxydation ce qui pourrait augmenter le stress oxydatif chez l’animal. Pour limiter ces dommages oxydatifs, l’utilisation de la graine de lin entière, riche en acides gras oméga-3 (n-3) et en lignans (antioxydants), en supplément alimentaire apparaît comme une avenue prometteuse. Des travaux antérieurs rapportent qu’une supplémentation en différents dérivés de la graine de lin (ex. AGPIs, lignans) module l’expression de certains gènes impliqués dans la réponse au stress oxydatif et le métabolisme des lipides dans la glande mammaire de la vache laitière. Cependant, il n’existe aucune étude rapportant l’effet de divers composés de la graine de lin sur le métabolisme lipidique et certains marqueurs de stress oxydatif dans le foie de la vache laitière. Ce projet de recherche a été réalisé afin de déterminer les effets de différents ratios d’acides linoléique (LA)/acide alpha-linolénique (ALA) (n-6/n-3, AGPI) en présence ou non d’entérolactone (ENL, lignan mammalien) sur (1) l’expression hépatique de gènes liés au métabolisme des lipides, au processus inflammatoire et au stress oxydatif, (2) les dommages aux lipides et aux protéines et (3) l’activité de l’enzyme superoxyde dismutase (SOD) dans le foie de la vache laitière en début de lactation. Un modèle in vitro de culture de tissu hépatique en tranches minces a été utilisé puisqu’il permet de préserver les interactions cellules-matrice et entre les cellules. Les gènes sélectionnés ont été choisis en se référant à diverses études antérieures et incluent certains gènes différentiellement exprimés dans le foie et la glande mammaire de la vache laitière en période de transition. Des régulateurs de la transcription (ex. MLXIPL et SREBF1), de même que leurs gènes cibles ont été priorisés. Les tissus issus de biopsies hépatiques de vaches Holstein en début de lactation ont été mis en culture et soumis à huit traitements composés de différents ratios d’AGPIs n-6/n-3, d’ENL et d’une combinaison des deux. Suite à ces traitements, les niveaux d’ARNm des gènes sélectionnés ont été mesurés par PCR quantitatif (RT-qPCR). Les dommages aux lipides ont été mesurés par l’essai des « thiobarbituric acid reactive substances » (TBARS) et les dommages aux protéines par une analyse des protéines carbonyles. Finalement, un essai enzymatique a été effectué pour mesurer l’activité de la SOD, une enzyme jouant un rôle dans le système de défense contre les radicaux libres. Les résultats de cette étude démontrent que l’ajout d’AGPIs (LA et ALA) dans le milieu de culture augmente l’expression de certains gènes liés au stress oxydatif (NQO1, PRDX3, PTGS2 et SOD1) et diminue l’expression de plusieurs gènes liés à l’activité lipogénique (ACACA, FASN, SCD et SREBF1). L’addition d’ENL dans le milieu de culture augmente l’abondance de l’ARNm des gènes cibles de MLXIPL, soit FASN et SCD, deux gènes impliqués dans l’activité lipogénique. Cette régulation à la hausse suggère qu’une supplémentation en tourteau ou en farine de lin (riche an lignans) en début de lactation pourrait avoir des effets non désirés et augmenter le risque de stéatose hépatique. Les analyses de peroxydation des lipides ont révélés une augmentation des dommages aux lipides en présence des AGPIs et un retour aux valeurs du traitement contrôle lorsque l’ENL est ajouté aux AGPIs. Une augmentation similaire est observée pour l’activité de la SOD avec l’ajout des AGPIs au milieu de culture, ainsi qu’un retour aux valeurs contrôle lorsque l’ENL est ajouté aux AGPIs. Ces résultats suggèrent qu’une supplémentation en graines de lin entières serait bénéfique en début de lactation puisque les AGPIs pourraient diminuer l’activité lipogénique au niveau du foie, alors que les lignans présents naturellement dans l’écorce de la graine de lin, pourraient réduire le stress oxydatif et les dommages aux lipides provoqués par des niveaux élevés en AGPIs.