Studies on the mechanism of action on antitumour imidazotetrazinones

The imidazotetrazinones are clinically active antitumour agents, temozolomide currently proving successful in the treatment of melanomas and gliomas. The exact nature of the biological processes underlying response are as yet unclear.This thesis attempts to identify the cellular targets important to the cytotoxicity of imidazotetrazinones, to elucidate the pathways by which this damage leads to cell death, and to identify mechanisms by which tumour cells may circumvent this action. The levels of the DNA repair enzymes O6-alkylguanine-DNA-alkyltransferase (O6-AGAT) and 3-methyladenine-DNA-glycosylase (3MAG) have been examined in a range of murine and human cell lines with differential sensitivity to temozolomide. All the cell lines were proficient in 3MAG despite there being 40-fold difference in sensitivity to temozolomide. This suggests that while 3-methyladenine is a major product of temozolomide alkylation of DNA it is unlikely to be a cytotoxic lesion. In contrast, there was a 20-fold variation in O6-AGAT levels and the concentration of this repair enzyme correlated with variations in cytotoxicity. Furthermore, depletion of this enzyme in a resistant, O6-AGAT proficient cell line (Raji), by pre-treatment with the free base O6-methylguanine resulted in 54% sensitisation to the effects of temozolomide. These observations have been extended to 3 glioma cell lines; results that support the view that the cytotoxicity of temozolomide is related to alkylation at the O6-position of guanine and that resistance to this drug is determined by efficient repair of this lesion. It is clear, however, the other factors may influence tumour response since temozolomide showed little differential activity towards 3 established solid murine tumours in vivo, despite different tumour O6-AGAT levels. Unlike mitozolomide, temozolomide is incapable of cross-linking DNA and a mechanism by which O6-methylguanine may exert lethality is unclear. The cytotoxicity of the methyl group may be due to its disruption of DNA-protein interactions, or alternatively cell death may not be a direct result of the alkyl group itself, but manifested by DNA single-strand breaks. Enhanced alkaline elution rates were found for the DNA of Raji cells treated with temozolomide following alkyltransferase depletion, suggesting a relationship between O6-methylguanine and the induction single-strand breaks. Such breaks can activate poly(ADP-ribose) synthetase (ADPRT) an enzyme capable of rapid and lethal depletion of cellular NAD levels. However, at concentrations of temozolomlde relevant in vivo little change in adenine nucleotides was detected in cell lines, although this enzyme would appear important in modulating DNA repair since inhibition of ADPRT potentiated temozolomide cytotoxicity in Raji cells but not O6-AGAT deficient GM892A cells. Cell lines have been reported that are O6-AGAT deficient yet resistant to methylating agents. Thus, resistance to temozolomide may arise not only by removal of the methyl group from the O6-position of guanine, but also from another mechanism involving caffeine-sensitive post-replication repair or mismatch repair activity. A modification of the standard Maxam Gilbert sequencing technique was used to determine the sequence specificity of guanine-N7 alkylation. Temozolomide preferentially alkylated runs of guanines with the intensity of reaction increasing with the number of adjacent guanines in the DNA sequence. Comparable results were obtained with a polymerase-stop assay, although neither technique elucidates the sequence specificity of O6-guanine alkylation. The importance of such specificity to cytotoxicity is uncertain, although guanine-rich sequences are common to the promoter regions of oncogenes. Expression of a plasmid reporter gene under the control of the Ha-ras proto~oncogene promoter was inhibited by alkylation with temozolomide when transfected into cancer cell lines, However, this inhibition did not appear to be related to O6~guanine alkylation and therefore would seem unimportant to the chemotherapeutic activity of temozolomide.

Multiple roles of charged amino acids in cytoplasmic loop 7 for expression and function of the multidrug and organic anion transporter MRP1 (ABCC1)

Multidrug resistance protein MRP1 mediates the ATP-dependent efflux of many chemotherapeutic agents and organic anions. MRP1 has two nucleotide binding sites (NBSs) and three membrane spanning domains (MSDs) containing 17 transmembrane helices linked by extracellular and cytoplasmic loops (CL). Homology models suggest that CL7 (amino acids 1141-1195) is in a position where it could participate in signaling between the MSDs and NBSs during the transport process. We have individually replaced eight charged residues in CL7 with Ala, and in some cases, an amino acid with the same charge, and then investigated the effects on MRP1 expression, transport activity, and nucleotide and substrate interactions. A triple mutant in which Glu(1169), Glu(1170), and Glu(1172) were all replaced with Ala was also examined. The properties of R1173A and E1184A were comparable with those of wild-type MRP1, whereas the remaining mutants were either poorly expressed (R1166A, D1183A) or exhibited reduced transport of one or more organic anions (E1144A, D1179A, K1181A, (1169)AAQA). Same charge mutant D1183E was also not expressed, whereas expression and activity of R1166K were similar to wild-type MRP1. The moderate substrate-selective changes in transport activity displayed by mutants E1144A, D1179A, K1181A, and (1169)AAQA were accompanied by changes in orthovanadate-induced trapping of [alpha-(32)P]azidoADP by NBS2 indicating changes in ATP hydrolysis or release of ADP. In the case of E1144A, estradiol glucuronide no longer inhibited trapping of azidoADP. Together, our results demonstrate the extreme sensitivity of CL7 to mutation, consistent with its critical and complex dual role in both the proper folding and transport activity of MRP1.

The topography of transmembrane segment six is altered during the catalytic cycle of P-glycoprotein

Structural evidence has demonstrated that P-glycoprotein (P-gp) undergoes considerable conformational changes during catalysis, and these alterations are important in drug interaction. Knowledge of which regions in P-gp undergo conformational alterations will provide vital information to elucidate the locations of drug binding sites and the mechanism of coupling. A number of investigations have implicated transmembrane segment six (TM6) in drug-P-gp interactions, and a cysteine-scanning mutagenesis approach was directed to this segment. Introduction of cysteine residues into TM6 did not disturb basal or drug-stimulated ATPase activity per se. Under basal conditions the hydrophobic probe coumarin maleimide readily labeled all introduced cysteine residues, whereas the hydrophilic fluorescein maleimide only labeled residue Cys-343. The amphiphilic BODIPY-maleimide displayed a more complex labeling profile. The extent of labeling with coumarin maleimide did not vary during the catalytic cycle, whereas fluorescein maleimide labeling of F343C was lost after nucleotide binding or hydrolysis. BODIPY-maleimide labeling was markedly altered during the catalytic cycle and indicated that the adenosine 5'-(beta,gamma-imino)triphosphate-bound and ADP/vanadate-trapped intermediates were conformationally distinct. Our data are reconciled with a recent atomic scale model of P-gp and are consistent with a tilting of TM6 in response to nucleotide binding and ATP hydrolysis.

The hypotensive effect of acute and chronic AMP-activated protein kinase activation in normal and hyperlipidemic mice

AMP-activated protein kinase (AMPK) is present in the arterial wall and is activated in response to cellular stressors that raise AMP relative to ADP/ATP. Activation of AMPK in vivo lowers blood pressure but the influence of hyperlipidemia on this response has not been studied. ApoE-/- mice on high fat diet for 6 weeks and age-matched controls were treated with the AMPK activator, AICAR daily for two weeks. Under anesthesia, the carotid artery was cannulated for blood pressure measurements. Aortic tissue was removed for in vitro functional experiments and AMPK activity was measured in artery homogenates by Western blotting. ApoE-/- mice had significantly raised mean arterial pressure; chronic AICAR treatment normalized this but had no effect in normolipidemic mice, whereas acute administration of AICAR lowered mean arterial pressure in both groups. Chronic AICAR treatment increased phosphorylation of AMPK and its downstream target acetyl-CoA carboxylase in normolipidemic but not ApoE-/- mice. In aortic rings, AMPK activation induced vasodilation and an anticontractile effect, which was attenuated in ApoE-/- mice. This study demonstrates that hyperlipidemia dysregulates the AMPK pathway in the arterial wall but this effect can be reversed by AMPK activation, possibly through improving vessel compliance.

Characterization of Juvenile Hormone Biosynthetic Enzymes in the Mosquito, Aedes aegypti

The juvenile hormones (JHs) are sesquiterpenoid compounds that play a central role in insect reproduction, development and behavior. They are synthesized and secreted by a pair of small endocrine glands, the corpora allata (CA), which are intimately connected to the brain. The enzymes involved in the biosynthesis of JH are attractive targets for the control of mosquito populations. This dissertation is a comprehensive functional study of five Aedes aegypti CA enzymes, HMG-CoA synthase (AaHMGS), mevalonate kinase (AaMK), phosphomevalonate kinase (AaPMK), farnesyl diphosphate synthase (AaFPPS) and farnesyl pyrophosphate phosphatase (AaFPPase). The enzyme AaHMGS catalyzes the condensation of acetoacetyl-CoA and acetyl-CoA to produce HMG-CoA. The enzyme does not require any co-factor, although its activity is enhanced by addition of Mg2+. The enzyme AaMK is a class I mevalonate kinase that catalyzes the ATP-dependent phosphorylation of mevalonic acid to form mevalonate 5-phosphate. Activity of AaMK is inhibited by isoprenoids. The enzyme AaPMK catalyzes the cation-dependent reversible reaction of phosphomevalonate and ATP to form diphosphate mevalonate and ADP. The enzyme AaFPPS catalyzes the condensation of isopentenyl diphosphate (IPP) and dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) to form geranyl diphosphate (GPP) and farnesyl pyrophosphate (FPP). The enzyme AaFPPS shows an unusual product regulation mechanism, with chain length final product of 10 or 15 C depending on the metal cofactor present. The enzymes AaFPPase-1 and AaFPPase-2 efficiently hydrolyze FPP into farnesol, although RNAi experiments demonstrate that only AaFPPase-1 is involved in the catalysis of FPP into FOL in the CA of A. aegypti. This dissertation also explored the inhibition of the activity of some of the JH biosynthesis enzymes as tools for insect control. We described the effect of N-acetyl-S-geranylgeranyl-L-cysteine as a potent inhibitor of AaFPPase 1 and AaFPPase-2. In addition, inhibitors of AaMK and AaHMGS were also investigated using purified recombinant proteins. The present study provides an important contribution to the characterization of recombinant proteins, the analysis of enzyme kinetics and inhibition constants, as well as the understanding of the importance of these five enzymes in the control of JH biosynthesis rates.

Étude des mécanismes de surenroulement de l'ADN induit par la transcription chez Escherichia coli

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des mécanismes de surenroulement de l'ADN induit par la transcription chez Escherichia coli

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Vasodilator-Stimulated Phosphoprotein (VASP)-dependent and -independent pathways regulate thrombin-induced activation of Rap1b in platelets

Background: Vasodilator-Stimulated Phosphoprotein (VASP) is involved in the inhibition of agonist-induced platelet aggregation by cyclic nucleotides and the adhesion of platelets to the vascular wall. αIIbβ3 is the main integrin responsible for platelet activation and Rap1b plays a key role in integrin signalling. We investigated whether VASP is involved in the regulation of Rap1b in platelets since VASP-null platelets exhibit augmented adhesion to endothelial cells in vivo.

Methods: Washed platelets from wild type and VASP-deficient mice were stimulated with thrombin, the purinergic receptors agonist ADP, or the thromboxane A2 receptor agonist U46619 and Rap1b activation was measured using the GST-RalGDS-RBD binding assay. Interaction of VASP and Crkl was investigated by co-immunoprecipitation, confocal microscopy, and pull-down assays using Crkl domains expressed as GST-fusion proteins.

Results: Surprisingly, we found that activation of Rap1b in response to thrombin, ADP, or U46619 was significantly reduced in platelets from VASP-null mice compared to platelets from wild type mice. However, inhibition of thrombin-induced activation of Rap1b by nitric oxide was similar in platelets from wild type and VASP-null mice indicating that the NO/cGMP/PKG pathway controls inhibition of Rap1b independently from VASP. To understand how VASP regulated Rap1b, we investigated association between VASP and the Crk-like protein (Crkl), an adapter protein which activates the Rap1b guanine nucleotide exchange factor C3G. We demonstrated the formation of a Crkl/VASP complex by showing that: 1) Crkl co-immunoprecipitated VASP from platelet lysates; 2) Crkl and VASP dynamically co-localized at actin-rich protrusions reminiscent of focal adhesions, filopodia, and lamellipodia upon platelet spreading on fibronectin; 3) recombinant VASP bound directly to the N-terminal SH3 domain of Crkl; 4) PKA-mediated VASP phosphorylation on Ser157 abrogated the binding of Crkl.

Conclusions: We identified Crkl as a novel protein interacting with VASP in platelets. We propose that the C3G/Crkl/VASP complex plays a role in the regulation of Rap1b and this explains, at least in part, the reduced agonist-induced activation of Rap1b in VASP-null platelets. In addition, the fact that PKA-dependent VASP phosphorylation abrogated its interaction with Crkl may provide, at least in part, a rationale for the PKA-dependent inhibition of Rap1b and platelet aggregation.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Synthetic lethal targeting of oncogenic transcription factors in acute leukemia by PARP inhibitors

Acute myeloid leukemia (AML) is mostly driven by oncogenic transcription factors, which have been classically viewed as intractable targets using small molecule inhibitor approaches. Here, we demonstrate that AML driven by repressive transcription factors including AML1-ETO and PML-RARα are extremely sensitive to Poly (ADP-ribose) Polymerase (PARP) inhibitor (PARPi), in part due to their suppressed expression of key homologous recombination genes and thus compromised DNA damage response (DDR). In contrast, leukemia driven by MLL fusions with dominant transactivation ability is proficient in DDR and insensitive to PARP inhibition. Intriguing, depletion of an MLL downstream target, Hoxa9 that activates expression of various HR genes, impairs DDR and sensitizes MLL leukemia to PARPi. Conversely, Hoxa9 over-expression confers PARPi resistance to AML1-ETO and PML-RARα transformed cells. Together, these studies describe a potential utility of PARPi-induced synthetic lethality for leukemia treatment and reveal a novel molecular mechanism governing PARPi sensitivity in AML.

Frame survey (census of boats and fishing gear) Lake Kyoga and Lake Kwania (Uganda), May-June 1990

The census of a fishing industry is called a frame survey. This is a rather comprehensive term, because there are many aspects of a fishery which one might wish to know. This is illustrated by the report on the partial census executed by the ADP/FS on the southern landings of L.Kyoga during December 1988, which deals with many socio-economic aspects of fishermen's households.

Domestication and the storage starch biosynthesis pathway: Signatures of selection from a whole sorghum genome sequencing strategy

Next-generation sequencing of complete genomes has given researchers unprecedented levels of information to study the multifaceted evolutionary changes that have shaped elite plant germplasm. In conjunction with population genetic analytical techniques and detailed online databases, we can more accurately capture the effects of domestication on entire biological pathways of agronomic importance. In this study, we explore the genetic diversity and signatures of selection in all predicted gene models of the storage starch synthesis pathway of Sorghum bicolor, utilizing a diversity panel containing lines categorized as either ‘Landraces’ or ‘Wild and Weedy’ genotypes. Amongst a total of 114 genes involved in starch synthesis, 71 had at least a single signal of purifying selection and 62 a signal of balancing selection and others a mix of both. This included key genes such as STARCH PHOSPHORYLASE 2 (SbPHO2, under balancing selection), PULLULANASE (SbPUL, under balancing selection) and ADP-glucose pyrophosphorylases (SHRUNKEN2, SbSH2 under purifying selection). Effectively, many genes within the primary starch synthesis pathway had a clear reduction in nucleotide diversity between the Landraces and wild and weedy lines indicating that the ancestral effects of domestication are still clearly identifiable. There was evidence of the positional rate variation within the well-characterized primary starch synthesis pathway of sorghum, particularly in the Landraces, whereby low evolutionary rates upstream and high rates downstream in the metabolic pathway were expected. This observation did not extend to the wild and weedy lines or the minor starch synthesis pathways.

Domestication and the storage starch biosynthesis pathway: signatures of selection from a whole sorghum genome sequencing strategy

Next-generation sequencing of complete genomes has given researchers unprecedented levels of information to study the multifaceted evolutionary changes that have shaped elite plant germplasm. In conjunction with population genetic analytical techniques and detailed online databases, we can more accurately capture the effects of domestication on entire biological pathways of agronomic importance. In this study, we explore the genetic diversity and signatures of selection in all predicted gene models of the storage starch synthesis pathway of Sorghum bicolor, utilizing a diversity panel containing lines categorized as either ‘Landraces’ or ‘Wild and Weedy’ genotypes. Amongst a total of 114 genes involved in starch synthesis, 71 had at least a single signal of purifying selection and 62 a signal of balancing selection and others a mix of both. This included key genes such as STARCH PHOSPHORYLASE 2 (SbPHO2, under balancing selection), PULLULANASE (SbPUL, under balancing selection) and ADP-glucose pyrophosphorylases (SHRUNKEN2, SbSH2 under purifying selection). Effectively, many genes within the primary starch synthesis pathway had a clear reduction in nucleotide diversity between the Landraces and wild and weedy lines indicating that the ancestral effects of domestication are still clearly identifiable. There was evidence of the positional rate variation within the well-characterized primary starch synthesis pathway of sorghum, particularly in the Landraces, whereby low evolutionary rates upstream and high rates downstream in the metabolic pathway were expected. This observation did not extend to the wild and weedy lines or the minor starch synthesis pathways.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

STRUCTURE AND FUNCTION OF THE GROUP III CHAPERONINS, A UNIQUE CLADE OF PROTEIN FOLDING NANOMACHINES

The survival and descent of cells is universally dependent on maintaining their proteins in a properly folded condition. It is widely accepted that the information for the folding of the nascent polypeptide chain into a native protein is encrypted in the amino acid sequence, and the Nobel Laureate Christian Anfinsen was the first to demonstrate that a protein could spontaneously refold after complete unfolding. However, it became clear that the observed folding rates for many proteins were much slower than rates estimated in vivo. This led to the recognition of required protein-protein interactions that promote proper folding. A unique group of proteins, the molecular chaperones, are responsible for maintaining protein homeostasis during normal growth as well as stress conditions. Chaperonins (CPNs) are ubiquitous and essential chaperones. They form ATP-dependent, hollow complexes that encapsulate polypeptides in two back-to-back stacked multisubunit rings, facilitating protein folding through highly cooperative allosteric articulation. CPNs are usually classified into Group I and Group II. Here, I report the characterization of a novel CPN belonging to a third Group, recently discovered in bacteria. Group III CPNs have close phylogenetic association to the Group II CPNs found in Archaea and Eukarya, and may be a relic of the Last Common Ancestor of the CPN family. The gene encoding the Group III CPN from Carboxydothermus hydrogenoformans and Candidatus Desulforudis audaxviator was cloned in E. coli and overexpressed in order to both characterize the protein and to demonstrate its ability to function as an ATPase chaperone. The opening and closing cycle of the Chy chaperonin was examined via site-directed mutations affecting the ATP binding site at R155. To relate the mutational analysis to the structure of the CPN, the crystal structure of both the AMP-PNP (an ATP analogue) and ADP bound forms were obtained in collaboration with Sun-Shin Cha in Seoul, South Korea. The ADP and ATP binding site substitutions resulted in frozen forms of the structures in open and closed conformations. From this, mutants were designed to validate hypotheses regarding key ATP interacting sites as well as important stabilizing interactions, and to observe the physical properties of the resulting complexes by calorimetry.