Aspergillus flavus infections in Galleria mellonella : a pathogen-host model system for the study of emerging diseases

To study emerging diseases, I employed a model pathogen-host system involving infections of insect larvae with the opportunistic fungus Aspergillus flavus, providing insight into three mechanisms ofpathogen evolution namely de novo mutation, genome decay, and virulence factoracquisition In Chapter 2 as a foundational experiment, A. flavus was serially propagated through insects to study the evolution of an opportunistic pathogen during repeated exposure to a single host. While A. flavus displayed de novo phenotypic alterations, namely decreased saprobic capacity, analysis of genotypic variation in Chapter 3 signified a host-imposed bottleneck on the pathogen population, emphasizing the host's role in shaping pathogen population structure. Described in Chapter 4, the serial passage scheme enabled the isolation of an A. flavus cysteine/methionine auxotroph with characteristics reminiscent of an obligate insect pathogen, suggesting that lost biosynthetic capacity may restrict host range based on nutrient availability and provide selection pressure for further evolution. As outlined in Chapter 6, cysteine/methionine auxotrophy had the pleiotrophic effect of increasing virulence factor production, affording the slow-growing auxotroph with a modified pathogenic strategy such that virulence was not reduced. Moreover in Chapter 7, transformation with a virulence factor from a facultative insect pathogen failed to increase virulence, demonstrating the necessity of an appropriate genetic background for virulence factor acquisition to instigate pathogen evolution.

Reactivity characteristics of cytochrome c, cytochrome oxidase and the electrostatic cytochrome c - cytochrome oxidase complex /

The mechanism whereby cytochrome £ oxidase catalyses elec-. tron transfer from cytochrome £ to oxygen remains an unsolved problem. Polarographic and spectrophotometric activity measurements of purified, particulate and soluble forms of beef heart mitochondrial cytochrome c oxidase presented in this thesis confirm the following characteristics of the steady-state kinetics with respect to cytochrome £: (1) oxidation of ferrocytochrome c is first order under all conditions. -(2) The relationship between sustrate concentration and velocity is of the Michaelis-Menten type over a limited range of substrate. concentrations at high ionic strength. (3) ~he reaction rate is independent from oxygen concentration until very low levels of oxygen. (4) "Biphasic" kinetic plots of enzyme activity as a function of substrate concentration are found when the range of cytochrome c concentrations is extended; the biphasicity ~ is more apparent in low ionic strength buffer. These results imply two binding sites for cytochrome £ on the oxidase; one of high affinity and one of low affinity with Km values of 1.0 pM and 3.0 pM, respectively, under low ionic strength conditions. (5) Inhibition of the enzymic rate by azide is non-c~mpetitive with respect to cytochrome £ under all conditions indicating an internal electron transfer step, and not binding or dissociation of £ from the enzyme is rate limiting. The "tight" binding of cytochrome '£ to cytochrome c oxidase is confirmed in column chromatographic experiments. The complex has a cytochrome £:oxidase ratio of 1.0 and is dissociated in media of high ionic strength. Stopped-flow spectrophotometric studies of the reduction of equimolar mixtures and complexes of cytochrome c and the oxidase were initiated in an attempt to assess the functional relevance of such a complex. Two alternative routes -for reduction of the oxidase, under conditions where the predominant species is the £ - aa3 complex, are postulated; (i) electron transfer via tightly bound cytochrome £, (ii) electron transfer via a small population of free cytochrome c interacting at the "loose" binding site implied from kinetic studies. It is impossible to conclude, based on the results obtained, which path is responsible for the reduction of cytochrome a. The rate of reduction by various reductants of free cytochrome £ in high and low ionic strength and of cytochrome £ electrostatically bound to cytochrome oxidase was investigated. Ascorbate, a negatively charged reagent, reduces free cytochrome £ with a rate constant dependent on ionic strength, whereas neutral reagents TMPD and DAD were relatively unaffected by ionic strength in their reduction of cytochrome c. The zwitterion cysteine behaved similarly to uncharged reductants DAD and TI~PD in exhibiting only a marginal response to ionic strength. Ascorbate reduces bound cytochrome £ only slowly, but DAD and TMPD reduce bound cytochrome £ rapidly. Reduction of cytochrome £ by DAD and TMPD in the £ - aa3 complex was enhanced lO-fold over DAD reduction of free £ and 4-fold over TMPD reduction of free c. Thus, the importance of ionic strength on the reactivity of cytochrome £ was observed with the general conclusion being that on the cytochrome £ molecule areas for anion (ie. phosphate) binding, ascorbate reduction and complexation to the oxidase overlap. The increased reducibility for bound cytochrome £ by reductants DAD and TMPD supports a suggested conformational change of electrostatically bound c compare.d to free .£. In addition, analysis of electron distribution between cytochromes £ and a in the complex suggest that the midpotential of cytochrome ~ changes with the redox state of the oxidase. Such evidence supports models of the oxidase which suggest interactions within the enzyme (or c - enzyme complex) result in altered midpoint potentials of the redox centers.

Arsenic speciation by ion-exchange chromatography with on- line determination by hydride generation: electronic modification of the D.C. plasma by photon counting

A method using L-cysteine for the determination of arsenous acid (As(III)), arsenic acid (As(V)), monomethylarsonic acid (MMAA), and dimethylarsinic acid (DMAA) by hydride generation was demonstrated. The instrument used was a d.c. plasma atomic emission spectrometer (OCP-AES). Complete recovery was reported for As(III), As(V), and DMAA while 86% recovery was reported for MMAA. Detection limits were determined, as arsenic for the species listed previously, to be 1.2, 0.8, 1.1, and 1.0 ngemL-l, respectively. Precision values, at 50 ngemL-1 arsenic concentration, were f.80/0, 2.50/0, 2.6% and 2.6% relative standard deviation, respectively. The L-cysteine reagent was compared directly with the conventional hydride generation technique which uses a potassium iodide-hydrochloric acid medium. Recoveries using L-cysteine when compared with the conventional method provided the following results: similar recoveries were obtained for As(III), slightly better recoveries were obtained for As(V) and MMAA, and significantly better recoveries for DMAA. In addition, tall and sharp peak shapes were observed for all four species when using L-cysteine. The arsenic speciation method involved separation by ion exchange .. high perfonnance liquid chromatography (HPLC) with on-line hydride generation using the L.. cysteine reagent and measurement byOCP-AES. Total analysis time per sample was 12 min while the time between the start of subsequent runs was approximately 20 min. A binary . gradient elution program, which incorporated the following two eluents: 0.01 and 0.5 mM tri.. sodium citrate both containing 5% methanol (v/v) and both at a pH of approximately 9, was used during the separation by HPLC. Recoveries of the four species which were measured as peak area, and were normalized against As(III), were 880/0, 290/0, and 40% for DMAA, MMAA and As(V), respectively. Resolution factors between adjacent analyte peaks of As(III) and DMAA was 1.1; DMAA and MMAA was 1.3; and MMAA and As(V) was 8.6. During the arsenic speciation study, signals from the d.c. plasma optical system were measured using a new photon-signal integrating device. The_new photon integrator developed and built in this laboratory was based on a previously published design which was further modified to reflect current available hardware. This photon integrator was interfaced to a personal computer through an AID convertor. The .photon integrator has adjustable threshold settings and an adjustable post-gain device.

Fluorometric monitoring of the properties of proteins entrapped in sol-gel derived matrices

The successful development of stable biosensors incorporating entrapped proteins suffers from poor understanding of the properties of the entrapped biomolecules. This thesis reports on the use of fluorescence spectroscopy to investigate the properties of proteins entrapped in sol-gel processed silicate materials. Two different single tryptophan (Trp) proteins were investigated in this thesis, the Ca2 + binding protein cod III parvalbumin (C3P) and the salicylate binding protein human serum albumin (HSA). Furthermore, the reactive single cysteine (Cys) residue within C3P and HSA were labelled with the probes iodoacetoxynitrobenzoxadiazole (C3P) and acrylodan (C3P and HSA) to further examine the structure, stability and function of the free and entrapped proteins. The results show that both C3P and HSA can be successfully entrapped into sol-gelderived matrices with retention of function and conformational flexibility.

Investigations into the determinations of hydride-forming elements

Analytical methods for the determination of trace amounts of germanium, tin and arsenic were established using hydride generation coupled with direct current plasma atomic emission spectrometry. A continuous gas flowing batch system for the hydride generation was investigated and was applied to the determination of germanium(Ge), tin(Sn), antimony(Sb) and lead(Pb) (Preliminary results suggest that it is also applicable to arsenic)As) ). With this system, the reproducibility of signals was improved and the determination was speeded up, compared with the conventional batch type hydride generation system. Each determination was complete within one minute. Interferences from a number of transition metal ions, especially from Pd(II), Pt(IV), Ni(II), Cu(II), Co(II), and Fe(II, III), have proven to be very serious under normal conditions, in the determination of germanium, tin, and arsenic. These interference effects were eliminated or significantly reduced in the presence of L-cystine or L-cysteine. Thus, a 10-1000 fold excess of Ni(II), Cu(II), Co(II), Fe(II), Pt(IV), Pd(II), etc. can be tolerated without interference, In the presence of L-cystine or L-cysteine, compared with absence of interference reducing agent. The methods for the determination of Ge, Sn, and As were examined by the analyses of standard reference materials. Interference effects from the sample matrix, for example, in transition metal-rich samples, copper, iron and steel, were eliminated by L-cystine (for As and Sn) and by LI cysteine (for Ge). The analysis of a number of standard reference materials gave excellent results of As and Sn contents in agreement with the certified values, showing there was no systematic interference. The detection limits for both germanium and tin were 20 pg ml- I . Preliminary studies were carried out for the determination of antimony and lead. Antimony was found to react with NaBH4, remaInIng from the previous determinations, giving an analytical signal. A reversed injection manner, i.e., injection of the NaBH4 solution prior to the analyte solution was used to avoid uncertainty caused by residual NaBH4 present and to ensure that an excess of NaB H4 was available. A solution of 0.4% L-cysteine was found to reduce the interference from selected transition metal ions, Co(II), Cu(II), Ni(II) and Pt(IV). Hydrochloric acid - hydrogen peroxide, nitric acid - ammonium persulphate, and potassium dichromate malic acid reaction systems for lead hydride generation were compared. The potassium dichromate - malic acid reaction medium proved to be the best with respect to reproducibility and minimal interference. Cu(II), Ni(II), and Fe(II) caused strong interference In lead determinations, which was not reduced by L-cysteine or Lcystine. Sodium citrate, ascorbic acid, dithizone, thiosemicarbazide and penicillamine reduced interferences to some extent. Further interference reduction studies were carried out uSIng a number of amino acids, glycine, alanine, valine, leucine and histidine, as possible interference reducing agents in the determination of germanium. From glycine, alanine, valine to leucine, the interference reduction effect in germanium determinations decreased. Histidine II was found to be very promising In the reduction of interference. In fact, histidine proved more efficient than L-cystine and L-cysteine In the reduction of interference from Ni(II) in the determination of germanium. Signal enhancement by easily ionized elements (EIEs), usually regarded as an interference effect in analysis by DCP-AES, was studied and successfully applied to advantage in improving the sensitivity and detection limit in the determination of As, Ge, Sn, Sb, and Pb. The effect of alkali and alkaline-earth elements on the determination of the above five hydride forming elements was studied. With the appropriate EIE, a signal enhancement of 40-115% was achieved. Linear calibration and good reproducibility were also obtained in the presence of EIEs. III

Synthesis of nanoporous materials for preconcentration and determination of trace elements by ICP-AES ; Investigation and elimination of the memory effects of mercury, gold, silver and boron in ICP-AES

Nanoporous materials with large surface area and well-ordered pore structure have been synthesized. Thiol groups were grafted on the materials' surface to make heavy metal ion pre-concentration media. The adsorption properties ofthe materials were explored. Mercury, gold and silver can be strongly adsorbed by these materials, even in the presence of alkaline earth metal ion. Though the materials can adsorb other heavy metal ions such as lead and copper, they show differential adsorption ability when several ions are present in solution. The adsorption sequence is: mercury> == silver> copper » lead and cadmium. In the second part of this work, the memory effects of mercury, gold, silver and boron were investigated. The addition of 2% L-cysteine and 1% thiourea eliminates the problems of the three metal ions completely. The wash-out time for mercury dropped from more than 20 minutes to 18 seconds, and the wash-out time for gold decreased from more than 30 minutes to 49 seconds. The memory effect of boron can be reduced by the use of mannitol.

Novel glutathione disulfide transferase function of CC-glutaredoxins involved in disease resistance and flower development

Glutaredoxins are oxidoreductases capable of reducing protein disulfide bridges and glutathione mixed disulfides through the process of deglutathionylation and glutathionylation. Lately, redox-mediated modifications of functional cysteine residues of TGA1 and TGA8 transcription factors have been postulated. Namely, GRX480 and ROXY1 glutaredoxins have been previously shown to interact with TGA proteins and have been suggested to regulate redox state of these proteins. TGA1, together with TGA2, is involved in systemic acquired resistance (SAR) establishment in the plant Arabidopsis thaliana through PR1 (Pathogenesis related 1) gene activation. They both form an enhanceosome complex with the NPR1 protein (non-expressor of pathogenesis related gene 1) which leads to PR1 transcription. Although TGA1 is capable of activating PR1 transcription, the ability of the TGA1 NPR1 enhanceosome complex to assembly is based on the redox status of TGA1. We identified GRX480 as a glutathionylating enzyme that catalyzes the TGA1 glutathione disulfide transferase reaction with a Km of around 20μM GSSG (oxidized glutathione). Out of four cysteine residues found within TGA1, C172 and C266 were found to be glutathionylated by this enzyme. We also confirmed TGA1 glutathionylation in vivo and showed that this modification takes place while TGA1 is associated with the PR1 promoter enzymatically via GRX480. Furthermore, we show that glutathionylation via GRX480 abolishes TGA1's interaction with NPR1 and consequently prevents the TGA1-NPR1 transcription activation of PR1. When glutathionylated, TGA1 is recruited to the PR1 promoter and acts as a repressor. Therefore, glutathionylation is a mechanism that prevents TGA1 NPR1 interaction, allowing TGA1 to function as a repressor of PR1 transcription. Surprisingly, GRX480 was not able to deglutathionylate proteins demonstrating the irreversible nature of the reaction. Moreover, we demonstrate that other members of CC-class glutaredoxins, namely ROXY1 and ROXY2, can also catalyze protein glutathionylation. The TGA8 protein was previously shown to interact with NPR1 analogs, BOP1 and BOP2 proteins. However, unlike the case of TGA1 NPR1 interaction, here we demonstrate that TGA8-BOP1 interaction is not redox regulated and that TGA8 glutathionylation by ROXY1 and ROXY2 enzymes does not abolish this interaction in vitro. However, TGA8 glutathionylation results in TGA8 oligomer disassembly into smaller complexes and monomers. Our results suggest that CC-Grxs are unable to reduce mixed disulfides, instead they efficiently catalyze the opposite reaction which distinguishes them from traditional glutaredoxins. Therefore, they should not be classified as glutaredoxins but as protein glutathione disulfide transferases.

Caractérisation du produit du gène sty4221, unique à Salmonella enterica sérovar Typhi

Salmonella enterica sérovar Typhi (Typhi) est une bactérie pathogène spécifique à l’homme. Typhi est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde chez l’humain, causant plus de 16 millions de nouveaux cas par année et plus de 600 000 morts. Il a été démontré que pour causer une infection systémique, Salmonella doit nécessairement survivre dans les macrophages de l'hôte. Paradoxalement, S. enterica sérovar Typhimurium, très apparenté à Typhi (près de 90 % d’homologie), n’a pas la capacité de se disséminer dans l’organisme humain et peut infecter plusieurs espèces animales. Nous avons antérieurement identifié 36 gènes uniques à Typhi (absents chez Typhimurium) situés sur 15 régions différentes et exprimés sélectivement lors de l’infection de macrophages humains. Ainsi, l’une de ces régions a suscité notre attention, soit la région sty4217-4222 et plus particulièrement le produit du gène sty4221, une aminotransférase hypothétique. Ce dernier gène est d’intérêt dû à l’homologie qu’il détient avec une hémolysine connue (Hly) produite par Treponema denticola, possédant elle-même une activité d’aminotransférase. Chez T. denticola, Hly dégrade la cystéine et produit du H2S qui est toxique pour l’hôte. Notre hypothèse est que la spécificité d’hôte et la capacité de produire une infection systémique de Typhi sont dues à l’expression de gènes qui ne se retrouvent pas chez d’autres salmonelles. Le but de cette étude était donc de caractériser le gène sty4221 quant à son activité hémolytique, cytotoxique et tenter de déterminer son rôle dans la virulence de cette bactérie. Le gène sty4221 a été cloné sous le contrôle d’un promoteur inductible à l’arabinose et exprimé par E. coli. L’activité hémolytique du clone a été déterminée par simple observation sur gélose sang. Ce clone a également permis d’observer l’effet cytotoxique du surnageant de culture sur différentes lignées cellulaires, par quantification de la relâche de LDH. Le gène sty4221 a été muté chez la souche sauvage de Typhi, ISP1820, l’implication pathogénique du gène a ainsi pu être étudiée. Des tests de phagocytose, d’invasion et de survie dans des macrophages humains ont été effectués, ainsi que des tests d’adhésion et d’invasion sur des cellules HeLa. Par ailleurs, une première tentative de purification de la protéine a été entreprise. En somme, nous savons maintenant que STY4221 a des propriétés hémolytiques, augmentées par la présence de cystéine. De plus, STY4221 a un effet cytotoxique sur les macrophages THP-I, mais aucun effet sur les HeLa. Or, sty4221 ne semble pas impliqué dans les étapes d’adhésion, d’invasion, de phagocytose ou de survie. La caractérisation de sty4221 permettra sans doute d’approfondir nos connaissances sur les toxines trouvées uniquement chez Typhi.

Vieillissement vasculaire chez des patients athérosclérotiques: Sénescence prématurée des cellules endothéliales?

La dysfonction de l’endothélium vasculaire, associée à une diminution de ses propriétés vasorelaxantes et anti-thrombogéniques, survient avec le vieillissement mais également chez de plus jeunes patients athérosclérotiques présentant plusieurs facteurs de risque cardiovasculaire. Au niveau cellulaire, le vieillissement des cellules endothéliales (CE) mène à un état irréversible de non division cellulaire appelé sénescence. Ces cellules sénescentes présentent des changements spécifiques au niveau de leur morphologie et de l’expression génique, menant à leur dysfonction. La sénescence dite réplicative est déclenchée par le raccourcissement des télomères survenant à chaque division cellulaire, mais peut également être induite prématurément par le stress oxydant (SIPS). L’objectif principal de cette étude est de caractériser la sénescence de CE vasculaires isolées à partir de patients athérosclérotiques, et d’observer l’impact des facteurs de risque sur cette sénescence. Afin de confirmer la contribution des deux principales voies de la sénescence, nous avons par la suite étudié conjointement ou séparément, l’impact d’un traitement chronique avec un antioxydant sur la sénescence de CE, et d’une surexpression de la sous-unité catalytique de la télomérase (hTERT), une enzyme responsable de l’allongement des télomères. Nous avons isolé et cultivé des CE provenant d’artères mammaires internes prélevées lors de pontages coronariens. Selon les études, les cellules ont été infectées ou non avec un lentivirus surexprimant la hTERT, et cultivées in vitro jusqu’à sénescence, en présence ou en absence de l’antioxydant N-acétyl-L-cystéine (NAC). Différents marqueurs des deux principales voies de la sénescence (réplicative ou SIPS) ont été quantifiés. La sénescence cellulaire se développe exponentiellement avec le temps et est associée à une réduction de la viabilité et de la prolifération cellulaires. Chez les patients athérosclérotiques, le vieillissement des CE passe par les deux principales voies de la sénescence : des télomères courts initialement en culture et la durée d’exposition in vivo aux facteurs de risque cardiovasculaire prédisent une apparition prématurée de la sénescence. Toutefois, chez les fumeurs, la sénescence est exclusivement du type SIPS. Ces facteurs de risque cardiovasculaire et principalement l’hypertension, semblent accélèrer le vieillissement biologique et favoriser la dysfonction des CE. Lorsque traitées chroniquement avec le NAC, les CE présentant initialement de moindres dommages cellulaires et moléculaires ainsi qu’une meilleure défense antioxydante développent une sénescence retardée. Lorsque le NAC est combiné à une surexpression de la hTERT, les deux voies de la sénescence sont bloquées et une immortalisation cellulaire est observée. À l’inverse, dans les CE les plus endommagées par les ROS in vivo, le NAC n’a aucun effet sur le développement de la sénescence, la hTERT, seule ou en combinaison avec le NAC, retarde légèrement la sénescence mais aucune immortalisation n’est observée lorsque ces traitements sont combinés. En conclusion, nos études démontrent que l’exposition chronique au stress oxydant associé aux facteurs de risque cardiovasculaire accélère le développement de la sénescence de CE vasculaires, contribuant potentiellement à l’athérogénèse. Dans les cellules de patients athérosclérotiques, il semble exister un seuil de dommages cellulaires et moléculaires subis in vivo au-delà duquel, aucun traitement (antioxydant ou hTERT) ne peut être bénéfique.

Modulation de l’expression du récepteur B1 des kinines par l’angiotensine II et l’endothéline-1 dans des cellules musculaires lisses vasculaires

Le stress oxydatif est impliqué dans l’expression du récepteur B1 des kinines (RB1) dans différents modèles de diabète et d'hypertension. Puisque l'angiotensine II (Ang II) et l'endothéline-1 (ET-1) sont des peptides prooxydants impliqués dans les maladies cardiovasculaires, leur contribution dans l'augmentation de l'expression du RB1 a été étudiée dans des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Le QRT-PCR et l’immunobuvardage de type Western ont été utilisés pour mesurer l’expression du RB1 dans des CMLV dérivées de la lignée A10 et de l’aorte de rats Sprague-Dawley. Cette étude montre que l’Ang II augmente l’expression du RB1 (ARNm et protéine) en fonction de la concentration et du temps (maximum 1 μM entre 3-6 h). Cette augmentation implique le récepteur AT1, la PI3K et le NF-κB, mais non le récepteur AT2 et ERK1/2. Aussi, le récepteur ETA de l’ET-1 est impliqué dans la réponse à l’Ang II à 6-8 h et non à 1-4 h. Par contre, l’ET-1 augmente l’expression du RB1 (maximum 2-4 h) via la stimulation des récepteurs ETA et ETB. L’augmentation du RB1 causée par l’Ang II et l’ET-1 est bloquée par les antioxydants (N-acétyl-cystéine et diphénylèneiodonium). Ces résultats suggèrent que l’Ang II induit le RB1 dans les CMLV par le récepteur AT1 dans la première phase, et par la libération d’ET-1 (majoritairement par ETA) dans la phase tardive, via le stress oxydatif et l’activation de la PI3K et du NF-κB. Ces résultats précisent le mécanisme impliqué dans la surexpression du RB1 ayant des effets néfastes dans le diabète et l'hypertension.

Mécanismes moléculaires d’activation du récepteur A des peptides natriurétiques

Le récepteur A des peptides natriurétiques (NPRA) fait partie de la famille des guanylates cyclases membranaires. L’activation du NPRA par ses agonistes naturels, ANP et BNP, induit une production de GMPc qui est responsable de leur rôle dans l’homéostasie cardiovasculaire, l’inhibition de l’hypertrophie et de la fibrose cardiaques et la régulation de la lipolyse. Le NPRA est un homodimère non covalent composé d’un domaine extracellulaire de liaison du ligand (ECD), d’un unique domaine transmembranaire (TM), d’un domaine d’homologie aux kinases et d’un domaine guanylate cyclase. Bien que le NPRA ait un rôle physiologique important, les mécanismes moléculaires régissant son processus d’activation restent inconnus. Nous avons donc analysé les premières étapes du processus d’activation du NPRA. Nous avons d'abord étudié le rôle de la dimérisation des ECD dans l’activation du récepteur. Nous avons utilisé les techniques de liaison de radioligand, de FRET et de modélisation moléculaire, pour caractériser la liaison à l’ECD des agonistes naturels, d’un superagoniste et d’un antagoniste. L’ANP se lie à un dimère d’ECD préformé et la dimérisation spontanée est l’étape limitante du processus de liaison. De plus, comme le démontrent nos études de FRET, tous les peptides, incluant l’antagoniste, stabilisent le récepteur sous sa forme dimérique. Cependant, l’antagoniste A71915 stabilise le dimère d’ECD dans une conformation différente de celle induite par l’ANP. La dimérisation du NPRA semble donc nécessaire, mais non suffisante à l’activation du récepteur. L’état d’activation du NPRA dépend plutôt de l’orientation des sous unités dans le dimère. Nous avons ensuite étudié le mécanisme moléculaire de transduction du signal à travers la membrane. Plusieurs études ont suggéré que l’activation du NPRA implique un changement de conformation du domaine juxtamembranaire (JM). Cependant, les études de cristallographie de l’ECD soluble de NPRA n’ont pas permis de documenter la structure du JM et le changement de conformation impliqué dans la transduction du signal reste inconnu. Pour analyser ce changement de conformation, nous avons d’abord séquentiellement substitué les neuf acides aminés du JM par une cystéine. En étudiant la capacité des mutants à former des dimères covalents de façon constitutive ou induite par l’ANP, nous avons pu évaluer la proximité relative des résidus du JM, avant et après activation du NPRA. Ces résultats ont démontré la proximité élevée de certains résidus spécifiques et sont en contradiction avec les données cristallographiques. Nous avons également démontré que le domaine intracellulaire impose une contrainte conformationnelle au JM à l’état de base, qui est levée après liaison de l’ANP. En introduisant de 1 à 5 alanines dans l’hélice-α transmembranaire, nous avons montré qu’une rotation des TM de 40° induit une activation constitutive du NPRA. Le signal d’activation pourrait donc être transmis à travers la membrane par un mécanisme de rotation des TM. En utilisant nos données expérimentales, nous avons généré le premier modèle moléculaire illustrant la conformation active du NPRA, où les domaines JM et TM sont représentés. Dans son ensemble, cette étude apporte une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires régissant les premières étapes du processus complexe d’activation du NPRA.

The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Contrôle de l'expression de la protéine PHEX et rôle de PHEX et FGF23 dans la minéralisation par les cellules MC3T3

PHEX est une protéine importante dans le processus de minéralisation osseuse. Des mutations ou la délétion d’une partie de ce gène causent l’hypophosphatémie liée au chromosome X (XLH). Cette maladie est caractérisée par une hypophosphatémie, accompagnée de défauts de minéralisation, de rachitisme et de lésions ostéomalaciques. Avec l’hypophosphatémie, les taux circulants de vitamine D devraient être augmentés, ce qui n’est pas le cas d’où une régulation anormale de la production de vitamine D a lieu. Cependant, malgré le fait que cette protéine soit une peptidase, aucun substrat physiologique n’a encore été répertorié pour PHEX. PHEX est une protéine membranaire de type II de la famille M13 des métalloendopeptidases à zinc possédant un court domaine N-terminal cytosolique, un segment transmembrannaire d’environ 20 acides aminés et une large portion C-terminale extracellulaire où se trouve le site actif de l’enzyme. PHEX est exprimée de façon majoritaire dans les os et dans les dents et elle apparaît à l’initiation de la minéralisation. Les patients souffrant de XLH et la souris Hyp, qui est un modèle animal de la maladie humaine, montrent des quantités importantes de la protéine FGF23. De plus, FGF23 est impliqué dans une autre maladie reliée au métabolisme du phosphate, l’hypophosphatémie rachitique autosomale dominante (ADHR) où des mutations de FGF23 causent sensiblement les mêmes symptômes que XLH. FGF23 est produit principalement par les ostéoblastes et les ostéocytes. FGF23 cause une hypophosphatémie par la diminution de l’expression du cotransporteur NaPi de type II, responsable de la réabsorption du phosphate rénal. L’hypothèse proposée dans la littérature serait que PHEX activerait ou inactiverait des peptides importants pour la minéralisation osseuse. Plus spécifiquement, l’activation ou l’inactivation de ces peptides aurait pour rôle de réguler les quantités de FGF23. Selon l’hypothèse mentionnée précédemment, la régulation de PHEX pourrait donc avoir un effet sur la minéralisation. Une quantité croissante de données sur la régulation de PHEX sont maintenant disponibles. Par exemple, la vitamine D diminue l’expression de PHEX tandis que les glucocorticoïdes et l’hormone de croissance augmentent son expression. Dans une première étude, nous avons voulu déterminer si un peptide relié à la minéralisation osseuse, le PTHrP1-34, pouvait réguler l’expression de PHEX. Nous avons déterminé que le PTHrP1-34 peut réguler de façon négative l’expression de PHEX dans les cellules UMR-106, une lignée cellulaire ostéoblastique. Cette régulation passe par la voie de l’AMPc/protéine kinase A. De plus, cette diminution d’expression est également observée au jour 7 dans des cultures primaires d’ostéoblastes de rat en minéralisation. Par la suite, nous avons étudié un mutant de PHEX, le mutant E4Q retrouvé chez un patient souffrant de XLH, où la mutation se retrouve dans le domaine cytosolique de PHEX. Cette mutation n’interfère pas avec le site catalytique de l’enzyme puisque ce mutant de PHEX peut tout aussi bien cliver un substrat synthétique que la protéine sauvage. Il a été déterminé que cette mutation annule un motif di-acide. Nous avons démontré que ce motif di-acide est responsable de la liaison de PHEX à COPII, responsable de la formation de vésicules de sécrétion. De plus, il semblerait que ce motif soit important, probablement par son interaction avec COPII, à l’incorporation de PHEX dans des vésicules de calcification, lesdites vésicules étant importantes dans le processus de minéralisation. Finalement, des essais de compétitions ont démontré que la minéralisation pouvait être perturbée lorsque l’on surexprimait la queue cytosolique sauvage de PHEX, contrairement à la queue mutée. Ceci suggère possiblement que l’interaction avec COPII menant à l’incorporation de PHEX dans les vésicules de calcification ou d’autres protéines comprenant de tels motifs pourrait être importante pour la minéralisation. Finalement, la dernière étude porte sur la protéine FGF23. Nous avons démontré, par la surexpression de FGF23 dans la lignée MC3T3 d’ostéoblastes de souris, que cette surexpression a un effet sur la sénescence de ces cellules. En effet, des essais de sénescence ont montré l’augmentation de celle-ci lorsque FGF23 est surexprimé. Par contre, la prolifération n’est pas altérée. De plus, il semblerait que la différenciation soit plus rapide, tel qu’observé par une minéralisation survenant plus tôt, mais n’étant pas plus importante. Bref, la surexpression de FGF23 semblerait faire en sorte que les ostéoblastes se différencient plus rapidement et passent donc à un état de sénescence prématuré comparativement aux cellules sauvages. Ceci est en accord avec la littérature où KLOTHO, un cofacteur de FGF23 permettant sa liaison avec une plus grande affinité sur son récepteur, lorsqu’inactivé démontre un phénotype similaire au vieillissement incluant un phénotype de sénescence.

Rôle et localisation intraspinale du récepteur B1 des kinines dans la douleur neuropathique

Le récepteur B1 des kinines (RB1) joue un rôle important dans l'inflammation et la nociception. Les sites de liaison du RB1 sont augmentés dans la moelle épinière et le ganglion de la racine dorsale (GRD) chez le rat après la ligature partielle du nerf sciatique (LPNS). Dans ce modèle classique de douleur neuropathique, le traitement aigu avec des antagonistes sélectifs du RB1 renverse l'hyperalgésie thermique mais non pas l’allodynie. Cette étude vise à définir dans ce modèle de LPNS: 1- les effets de traitements aigu et chronique avec des antagonistes du RB1 sur l’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid; 2- la contribution du TRPV1 et du stress oxydatif dans la composante de la douleur neuropathique associée au RB1; 3- l’expression du RB1 au niveau de la moelle épinière lombaire, le GRD et le nerf sciatique par RT-PCR quantitatif (Reverse transcriptase-polymerase chain reaction); 4- la localisation cellulaire du RB1 dans la moelle épinière lombaire par microscopie confocale. L’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid ont été mesurées par le réflexe de retrait de la patte arrière après l’application à la surface plantaire d’une source radiante de chaleur (méthode Hargreaves), de filaments de Von Frey et d’une goutte d’acétone qui produit une sensation de froid par évaporation. Nous avons montré, dans un premier temps, que l'hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid sont renversées par un traitement chronique avec l’antagoniste du RB1, SSR240612, administré par gavage à raison de 10 mg /kg/jr entre le 15 e et le 20 e jour après la ligature du nerf sciatique et par un traitement antioxydant, la N-acétyl-L-cystéine, administrée par gavage à la dose de 1g/kg/jr, 4jours précédant la ligature et pendant les 2 semaines après la ligature. Un traitement aigu avec le ii SSR240612 (10 mg/kg) ou avec un antagoniste du RB1 qui ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique, le R-954 (2mg/kg, s.c.), n’a bloqué que l’hyperalgésie thermique. Dans un second temps, l’antagoniste du TRPV1, le SB366791, administré à raison de 1 mg/kg/jr par voie sous-cutanée du j-1 au j-14 a renversé l’allodynie tactile et l’hyperalgésie thermique. De plus, nous avons noté deux semaines après la LPNS, des augmentations significatives des niveaux d'ARNm du RB1 dans la moelle épinière lombaire, le nerf sciatique et le GRD du côté ipsilatéral à la ligature. Ces augmentations ont été renversées par le traitement avec la N-acétyl-L-cystéine et l’antagoniste du TRPV1. Le RB1 a été localisé au niveau des fibres de type C avec le marquage au CGRP (Calcitonin Gene-Related Peptide) et au niveau de la microglie utilisant le marquage au Iba-1 dans la moelle épinière lombaire des rats ayant subi une LPNS, 2 semaines plus tôt. Au terme de cette étude, nous avons suggéré que la surexpression du RB1 sur les fibres de type C contribuerait à l’hyperalgésie thermique alors que le RB1 sur la microglie dans la moelle épinière contribuerait aux allodynies tactile et au froid dans le modèle LPNS chez le rat. Le stress oxydatif pourrait être impliqué dans l’induction du RB1. Bien que le rôle du TRPV1 semble plutôt limité à la douleur thermique, il pourrait cependant agir via le RB1 sur les fibres de type C.

Impact of a neonatal parenteral nutrition on the hepatic activity of methionine adenosyltransferase, a limiting step for glutathione synthesis

Problématique : Le glutathion est une molécule clé de la défense antioxydante. Chez les enfants sous nutrition parentérale (NP), particulièrement les nouveau-nés, sa concentration tissulaire est anormalement basse. Puisque la capacité de synthèse de glutathion est adéquate, un déficit en cystéine, le substrat limitant, est soupçonnée. À cause de son instabilité en solution, la cystéine est peu présente en NP; la méthionine étant le précurseur endogène de cet acide aminé. L’activité de la méthionine adénosyltransférase (MAT), une enzyme essentielle à la transformation de la méthionine en cystéine, est facilement inhibée par l’oxydation. L’hypothèse : Le faible taux de glutathion chez les enfants sous NP est causé par l’inhibition de la MAT par les peroxydes contaminant ces solutions nutritives. Objectif: Mesurer l’impact d’une infusion de NP et de H2O2 sur l’activité hépatique de MAT en relation avec le niveau de glutathion. Méthode : Un cathéter est placé dans la jugulaire droite de cobayes de trois jours de vie. Quatre groupes sont comparés:1- Témoin (animaux aucune manipulation, sans cathéter) 2)-(animaux nourris normalement et le cathéter (noué)); 3) NP (animaux nourris exclusivement par voie intraveineuse (acides aminés + dextrose + lipides + vitamines + électrolytes), cette solution génère environ 400 µM de peroxyde. 4) H2O2 (animaux nourris normalement et recevant via le cathéter 400 µM de H2O2). Après quatre jours, le foie et le sang sont prélevés pour la détermination du glutathion, potentiel redox et l’activité de MAT, glutathion peroxydase et glutathion reductase. Résultats : L’activité de MAT est plus faible dans les groupes NP et H2O2. Le potentiel redox du foie et dans le sang est plus oxydé dans le groupe NP. Tandis que la concentration de GSSG du foie est plus élevée dans le groupe NP. Ainsi la concentration de GSH dans le sang et foie est plus faible dans les NP et H2O2 Discussion: La relation entre l’inhibition de MAT et le stress oxydant observée dans le groupe NP pourrait bien expliquer la perturbation du système glutathion observée chez les nouveau-nés prématurés.