Preservation of nitric oxide availability as nitrite and nitrosothiols

Nitric Oxide (NO) has been known for long to regulate vessel tone. However, the close proximity of the site of NO production to "sinks" of NO such as hemoglobin (Hb) in blood suggest that blood will scavenge most of the NO produced. Therefore, it is unclear how NO is able to play its physiological roles. The current study deals with means by which this could be understood. Towards studying the role of nitrosothiols and nitrite in preserving NO availability, a study of the kinetics of glutathione (GSH) nitrosation by NO donors in aerated buffered solutions was undertaken first. Results suggest an increase in the rate of the corresponding nitrosothiol (GSNO) formation with an increase in GSH with a half-maximum constant EC50 that depends on NO concentration, thus indicating a significant contribution of NO2 mediated nitrosation in the production of GSNO. Next, the ability of nitrite to be reduced to NO in the smooth muscle cells was evaluated. The NO formed was inhibited by sGC inhibitors and accelerated by activators and was independent of O2 concentration. Nitrite transport mechanisms and effects of exogenous nitrate on transport and reduction of nitrite were examined. The results showed that sGC can mediate nitrite reduction to NO and nitrite is transported across the smooth muscle cell membrane via anion channels, both of which can be attenuated by nitrate. Finally, a 2-D axisymmetric diffusion model was constructed to test the accumulation of NO in the smooth muscle layer from reduction of nitrite. It was observed that at the end of the simulation period with physiological concentrations of nitrite in the smooth muscle cells (SMC), a low sustained NO generated from nitrite reduction could maintain significant sGC activity and might affect vessel tone. The major nitrosating mechanism in the circulation at reduced O2 levels was found to be anaerobic and a Cu+ dependent GSNO reduction activity was found to deliver minor amounts of NO from physiological GSNO levels in the tissue.

Theoretical Investigation of Intra- and Inter-cellular Spatiotemporal Calcium Patterns in Microcirculation

Microcirculatory vessels are lined by endothelial cells (ECs) which are surrounded by a single or multiple layer of smooth muscle cells (SMCs). Spontaneous and agonist induced spatiotemporal calcium (Ca2+) events are generated in ECs and SMCs, and regulated by complex bi-directional signaling between the two layers which ultimately determines the vessel tone. The contractile state of microcirculatory vessels is an important factor in the determination of vascular resistance, blood flow and blood pressure. This dissertation presents theoretical insights into some of the important and currently unresolved phenomena in microvascular tone regulation. Compartmental and continuum models of isolated EC and SMC, coupled EC-SMC and a multi-cellular vessel segment with deterministic and stochastic descriptions of the cellular components were developed, and the intra- and inter-cellular spatiotemporal Ca2+ mobilization was examined. Coupled EC-SMC model simulations captured the experimentally observed localized subcellular EC Ca2+ events arising from the opening of EC transient receptor vanilloid 4 (TRPV4) channels and inositol triphosphate receptors (IP3Rs). These localized EC Ca2+ events result in endothelium-derived hyperpolarization (EDH) and Nitric Oxide (NO) production which transmit to the adjacent SMCs to ultimately result in vasodilation. The model examined the effect of heterogeneous distribution of cellular components and channel gating kinetics in determination of the amplitude and spread of the Ca2+ events. The simulations suggested the necessity of co-localization of certain cellular components for modulation of EDH and NO responses. Isolated EC and SMC models captured intracellular Ca2+ wave like activity and predicted the necessity of non-uniform distribution of cellular components for the generation of Ca2+ waves. The simulations also suggested the role of membrane potential dynamics in regulating Ca2+ wave velocity. The multi-cellular vessel segment model examined the underlying mechanisms for the intercellular synchronization of spontaneous oscillatory Ca2+ waves in individual SMC. From local subcellular events to integrated macro-scale behavior at the vessel level, the developed multi-scale models captured basic features of vascular Ca2+ signaling and provide insights for their physiological relevance. The models provide a theoretical framework for assisting investigations on the regulation of vascular tone in health and disease.

Role of Vinculin in Regulating Force-Sensitive Dynamics of Adherens Junctions During Collective Cell Migration

Dynamic processes such as morphogenesis and tissue patterning require the precise control of many cellular processes, especially cell migration. Historically, these processes are thought to be mediated by genetic and biochemical signaling pathways. However, recent advances have unraveled a previously unappreciated role of mechanical forces in regulating these homeostatic processes in of multicellular systems. In multicellular systems cells adhere to both deformable extracellular matrix (ECM) and other cells, which are sources of applied forces and means of mechanical support. Cells detect and respond to these mechanical signals through a poorly understood process called mechanotransduction, which can have profound effects on processes such as cell migration. These effects are largely mediated by the sub cellular structures that link cells to the ECM, called focal adhesions (FAs), or cells to other cells, termed adherens junctions (AJs).

Overall this thesis is comprised of my work on identifying a novel force dependent function of vinculin, a protein which resides in both FAs and AJs - in dynamic process of collective migration. Using a collective migration assay as a model for collective cell behavior and a fluorescence resonance energy transfer (FRET) based molecular tension sensor for vinculin I demonstrated a spatial gradient of tension across vinculin in the direction of migration. To define this novel force-dependent role of vinculin in collective migration I took advantage of previously established shRNA based vinculin knock down Marin-Darby Canine Kidney (MDCK) epithelial cells.

The first part of my thesis comprises of my work demonstrating the mechanosensitive role of vinculin at AJ’s in collectively migrating cells. Using vinculin knockdown cells and vinculin mutants, which specifically disrupt vinculin’s ability to bind actin (VinI997A) or disrupt its ability to localize to AJs without affecting its localization at FAs (VinY822F), I establish a role of force across vinculin in E-cadherin internalization and clipping. Furthermore by measuring E-cadherin dynamics using fluorescence recovery after bleaching (FRAP) analysis I show that vinculin inhibition affects the turnover of E-cadherin at AJs. Together these data reveal a novel mechanosensitive role of vinculin in E-cadherin internalization and turnover in a migrating cell layer, which is contrary to the previously identified role of vinculin in potentiating E-cadherin junctions in a static monolayer.

For the last part of my thesis I designed a novel tension sensor to probe tension across N-cadherin (NTS). N-cadherin plays a critical role in cardiomyocytes, vascular smooth muscle cells, neurons and neural crest cells. Similar to E-cadherin, N-cadherin is also believed to bear tension and play a role in mechanotransduction pathways. To identify the role of tension across N-cadherin I designed a novel FRET-based molecular tension sensor for N-cadherin. I tested the ability of NTS to sense molecular tension in vascular smooth muscle cells, cardiomyocytes and cancer cells. Finally in collaboration with the Horwitz lab we have been able to show a role of tension across N-cadherin in synaptogenesis of neurons.

Assessing the immune phenotype of cardiac syndrome x: a prospective study of biomarkers

Cardiac Syndrome X (CSX), the presence of angina pectoris with objective signs of myocardial ischaemia despite angiographically normal epicardial coronary arteries, appears to be due to coronary microvascular dysfunction and is known to be associated with an elevation of several inflammatory biomarkers, suggesting a possible role for inflammation in its pathogenesis. We aimed to further characterise this relationship by prospectively analysing a wide variety of molecular biomarkers in a cohort of CSX patients thereby charting the changes in biomarkers throughout the natural history of CSX from its initial diagnosis to eventual disease quiescence. We found that CSX patients, when compared to healthy controls, have a persistent low-grade systemic inflammatory response characterised by an elevation of Tumour Necrosis Factor and Interferon-gamma, regardless of the presence of contemporaneous signs or symptoms of disease activity. Interleukin-6 and C-reactive Protein (CRP) are only elevated when patients have clinical evidence of disease activity and may be state markers in CSX. Moreover, CRP levels appear to correlate with signals of disease severity such as the time taken to develop symptoms during exercise stress testing. We have also demonstrated that the enzyme Indoleamine-2,3- dioxygenase is upregulated in active disease thus providing a possible explanation for the increased burden of psychological disease encountered in CSX. Analysis of the microRNA transcriptome showed that miR-143 is significantly under-expressed in CSX patients. This could allow phenotype switching in vascular smooth muscle cells with the resultant vascular remodelling causing reduced vessel responsiveness to local rheological stimuli and reduced luminal diameter with consequent increased microvascular resistance during times of increased myocardial oxygen demand, thereby limiting maximal hyperaemia during exercise. Our findings corroborate many previous hypotheses regarding the role of inflammation in CSX, generate new insights into possible pathogenic mechanisms and offer new therapeutic targets for the future management of this important cardiological condition.

TRPV2 Channels Contribute to Stretch-Activated Cation Currents and Myogenic Constriction in Retinal Arterioles

Purpose: Activation of the transient receptor potential channels, TRPC6, TRPM4, and TRPP1 (PKD2), has been shown to contribute to the myogenic constriction of cerebral arteries. In the present study we sought to determine the potential role of various mechanosensitive TRP channels to myogenic signaling in arterioles of the rat retina.

Methods: Rat retinal arterioles were isolated for RT-PCR, Fura-2 Ca2+ microfluorimetry, patch-clamp electrophysiology, and pressure myography studies. In some experiments, confocal immunolabeling of wholemount preparations was used to examine the localization of specific mechanosensitive TRP channels in retinal vascular smooth muscle cells (VSMCs).

Results: Reverse transcription-polymerase chain reaction analysis demonstrated mRNA expression for TRPC1, M7, V1, V2, V4, and P1, but not TRPC6 or M4, in isolated retinal arterioles. Immunolabeling revealed plasma membrane, cytosolic and nuclear expression of TRPC1, M7, V1, V2, V4, and P1 in retinal VSMCs. Hypoosmotic stretch-induced Ca2+ influx in retinal VSMCs was reversed by the TRPV2 inhibitor tranilast and the nonselective TRPP1/V2 antagonist amiloride. Inhibitors of TRPC1, M7, V1, and V4 had no effect. Hypoosmotic stretch-activated cation currents were similar in Na+ and Cs+ containing solutions suggesting no contribution by TRPP1 channels. Direct plasma membrane stretch triggered cation current activity that was blocked by tranilast and specific TRPV2 pore-blocking antibodies and mimicked by the TRPV2 activator, Δ9-tetrahydrocannabinol. Preincubation of retinal arterioles with TRPV2 blocking antibodies prevented the development of myogenic tone.

Conclusions: Our results suggest that retinal VSMCs express a range of mechanosensitive TRP channels, but only TRPV2 appears to contribute to myogenic signaling in this vascular bed.

Eph kinases and their ligands ephrins act in concert with sex hormones in regulating blood pressure

Les Erythropoietin-producing hepatocyte (EPH) sont la plus grande famille de récepteurs tyrosine kinase. Leurs ligands, les éphrines (EFNs), sont aussi des molécules exprimées à la surface cellulaire. Les EPH/EFNs sont impliqués dans de nombreux processus biologiques. L'hypertension artérielle (PA) est une maladie chronique qui, aujourd'hui, est devenue un problème médical critique dans le monde entier et un enjeu de santé publique. La découverte de nouvelles thérapeutiques de l'hypertension sont d'une grande importance pour la santé publique. Jusqu’à tout récemment, il existe seulement quelques études concernant le rôle de l’axe EPH/EFNs sur la fonction des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Dans nos études précédentes, nous avons montré qu'EPHB6 et EFNB1, de concert avec les hormones sexuelles, régulent la PA. Dans la présente étude, nous avons constaté que les différents membres de la famille EPH/EFN peuvent réguler soit positivement, soit négativement, la contractilité des CMLV et la PA: tandis que EPHB4 et EFNB2 appartiennent à la première catégorie, EFNB1, EFNB3 et EPHB6 appartiennent à la deuxième. In vivo, des souris males, mais non pas des femelles, porteuses d’une mutation EPHB4 (KO) spécifique du muscle lisse présentent une PA diminuée, comparée aux souris témoins (WT). Les CMLV de souris EPHB4 KO, en présence de testostérone, ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par la phényléphrine (PE). Au niveau moléculaire, la phosphorylation de la protéine kinase II dépendante de Ca2+/calmoduline et de la kinase de la chaine légère de la myosine (CLM) est augmentée, tandis que la phosphorylation de la kinase de la CLM est réduite dans les CMLV KO lors de la stimulation par PE, par rapport au WT CMLV. Cela fournit une base moléculaire à la réduction de la PA et de la contractilité des CMLV chez les souris EPHB4 KO. EFNB2 est le ligand majeur de l’EPHB4. Comme attendu, les souris EFNB2 KO spécifique du muscle lisse avaient un phénotype de PA semblable, quoique non identique, aux souris EPHB4 KO. Les souris mâles EFNB2 KO, mais pas femelles, sous régime régulier ou riche en sel, présentent une PA réduite, par rapport à leurs homologues WT. Au niveau cellulaire, les CMLV des souris KO ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par PE par rapport aux témoins WT. Une région de l’acide aminé (aa) 313 à l’aa 331 dans la partie intracellulaire d’EFNB2 est essentielle pour la signalisation inverse qui régule la contractilité des CMLV, selon des études de mutation-délétion. Dans une étude de génétique humaine, nous avons identifié, dans le gène EFNB2, six SNP qui étaient associées significativement au risque d'hypertension artérielle, de façon dépendante du sexe, ce qui corrobore nos résultats chez les souris. En revanche, la délétion du gène EFNB3 (KO) chez les souris femelles aboutit à une PA élevée et à une augmentation des résistances des petites artères in vivo, améliore la contractilité des petites artères ex-vivo et augmente la contractilité des CMLV in vitro. Les souris mâles KO ont une PA normale, mais la castration conduit à une augmentation significative de la PA dans les souris KO, mais pas dans les souris WT. Les CMLV des souris KO femelles ont montré une phosphorylation accrue de la CLM et une phosphorylation réduite de la kinase de la CLM, ce qui fournit à nouveau une base moléculaire aux phénotypes de PA et de contractilité des CMLV observés. Ce changement de signalisation est attribuable à une protéine adaptatrice Grip1. En effet, dans une étude d'association pan génomique par le Consortium International pour la Pression Sanguine, un SNP dans le gène GRIP1 a approché le seuil de significativité de la valeur p pour son association avec la pression diastolique. Nos recherches, pour la première fois, ont révélé que EPH/EFNs sont de nouveaux composants dans le système de régulation de la PA. Les membres de la famille EPH/EFN peuvent agir comme des forces Yin et Yang pour régler finement le tonus des vaisseaux pour assurer l'homéostasie de la PA et de sa régulation. Ces effets de EPH/EFNs dépendent du sexe et des niveaux d’hormones sexuelles. À partir de ces nouvelles connaissances, nous pourrions développer une nouvelle thérapie personnalisée pour l’hypertension artérielle, utilisant des antagonistes d'hormones sexuelles ou des thérapies de remplacement d'hormones sexuelles, selon les niveaux d'hormones sexuelles des patients et les mutations dans les gènes de l'EPH/EFN.

Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Le cordon ombilical humain, source de cellules pour le génie tissulaire : Isolement, caractérisation et production de substituts humains

Le cordon ombilical humain suscite beaucoup d’intérêt comme source de cellules à des fins de recherche et de thérapie. Quatre types cellulaires majeurs - les cellules épithéliales, stromales, musculaires lisses et endothéliales - composent les tissus solides du cordon ombilical. Quelques-uns de ces types cellulaires ont été utilisés en recherche scientifique depuis longtemps, alors que d’autres commencent à peine à dévoiler leur potentiel. Nous avons développé un protocole unique pour l’extraction séquentielle de tous ces types cellulaires d’un seul cordon ombilical, permettant ainsi la reconstruction à partir d’une même source. La combinaison des techniques de perfusion, immersion et explants a mené à la mise en culture et à l’expansion de ces cellules, dont les cellules épithéliales et les cellules stromales de la gelée de Wharton qui ont été caractérisées plus en détail par l’immunomarquage de protéines spécifiques. Leur potentiel pour la médecine régénératrice a été démontré par la production de tissus par génie tissulaire. Un vaisseau sanguin composé de cellules stromales et de cellules musculaires lisses du cordon ombilical démontra une résistance substantielle à l’éclatement. Les capacités de différenciation des cellules épithéliales ont été étudiées dans le contexte d’une peau bilamellaire reconstruite en combinaison avec des kératinocytes, des fibroblastes dermiques, et des cellules stromales de la gelée de Wharton. Les cellules épithéliales ont montré une différenciation similaire à celle des kératinocytes lorsque cultivées sur des fibroblastes dermiques et exposées à l’air, tandis que sur des cellules stromales du cordon, elles ont subi une désorganisation. Finalement, la différenciation des cellules stromales a été induite en culture vers plusieurs types cellulaires afin de compléter cette étude. L’ensemble des résultats fait ressortir l’importance non seulement de l’influence du milieu physique sur la croissance et la différenciation des cellules, mais également de l’impact de la provenance des cellules sur la qualité des tissus reconstruits.

L’implication de SHP-1 en condition élevée de glucose inhibe la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB dans les cellules musculaires lisses vasculaires hypoxiques

Résumé : Bien que l’hypoxie soit un puissant inducteur de l’angiogenèse, l’activation des facteurs de croissance est perturbée en hyperglycémie au niveau du pied et du cœur. Cette perturbation entraîne la perte de prolifération et de migration chez les cellules endothéliales, musculaires lisses vasculaires et péricytes empêchant la formation de nouveaux vaisseaux qui mènera à l’amputation des membres inférieurs chez les patients diabétiques. Une étude a démontré qu’une augmentation de la protéine tyrosine phosphatase Src homology-2 domain-containing phosphatase-1 (SHP-1) en condition hyperglycémique chez les péricytes entraînait l’inhibition de la signalisation du PDGF-BB, ce qui résultait en le développement d’une rétinopathie diabétique. Nous avons alors soulevé l’hypothèse que l’expression de SHP-1 dans les cellules musculaires lisses vasculaires affecte la prolifération et la migration cellulaire par l’inhibition de la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB en condition diabétique. Nos expérimentations ont été effectuées principalement à l’aide d’une culture primaire de cellules musculaires lisses primaires provenant d’aortes bovines. Comparativement aux concentrations normales de glucose (NG : 5,6 mM), l’exposition à des concentrations élevées de glucose (HG : 25 mM) pendant 48 h a résulté en l’inhibition de la prolifération cellulaire par l’insuline et le PDGF-BB autant en normoxie (20% O2) qu’en hypoxie (24 dernières heures à 1% O2). Lors des essais de migration cellulaire, aucun effet de l’insuline n’a été observé alors que la migration par le PDGF-BB fut inhibée en HG autant en normoxie qu’en hypoxie. L’exposition en HG à mener à l’inhibition de la signalisation de la voie PI3K/Akt de l’insuline et du PDGF-BB en hypoxie. Aucune variation de l’expression de SHP-1 n’a été observée mais son activité phosphatase en hypoxie était fortement inhibée en NG contrairement en HG où on observait une augmentation de cette activité. Finalement, une association a été constatée entre SHP-1 et la sous-unité bêta du récepteur au PDGF. En conclusion, nous avons démontré que l’augmentation de l’activité phosphatase de SHP-1 en hypoxie cause l’inhibition des voies de l’insuline et du PDGF-BB réduisant les processus angiogéniques des cellules musculaires lisses vasculaires dans la maladie des artères périphériques.

Stabilising suppressor of cytokine signalling 3 (SOCS3) protein levels to limit neointimal hyperplasia

Suppressor of cytokine signalling 3 (SOCS3) is a potent inhibitor of the mitogenic, migratory and pro-inflammatory pathways responsible for the development of neointimal hyperplasia (NIH), a key contributor to the failure of vascular reconstructive procedures. However, the protein levels of SOCS3, and therefore its potential to reduce NIH, is limited by its ubiquitylation and high turnover by the proteasome. I hypothesised that stabilisation of endogenous SOCS3 by inhibiting its ubiquitylation has the potential to limit vascular inflammation and NIH. Consequently, the aim of this PhD was to identify the mechanisms promoting the rapid turnover of SOCS3. Initial experiments involved the identification of residues involved in regulating the turnover of SOCS3 at the proteasome. I assessed the ubiquitylation status of a panel of FLAG tagged SOCS3 truncation mutants and identified a C-terminal 44 amino acid region required for SOCS3 ubiquitylation. This region localised to the SOCS box which is involved in binding Elongin B/C and the formation of a functional E3 ubiquitin ligase complex. However, the single lysine residue at position 173, located within this 44 amino acid region, was not required for ubiquitylation. Moreover, Emetine chase assays revealed that loss of either Lys173 or Lys6 (as documented in the literature) had no significant effect on SOCS3 stability 8 hrs post emetine treatment. As mutagenesis studies failed to identify key sites of ubiquitylation responsible for targeting SOCS3 to the proteasome, LC-MS-MS analysis of a SOCS3 co-immunoprecipitate was employed. These data were searched for the presence of a Gly-Gly doublet (+114 Da mass shift) and revealed 8 distinct sites of ubiquitylation (Lys23, Lys28, Lys40, Lys85, Lys91, Lys173, Lys195, Lys206) on SOCS3 however Lys6 ubiquitylation was not detected. As multiple Lys residues were ubiquitylated, I hypothesised that only a Lys-less SOCS3, in which all 8 Lys residues were mutated to Arg, would be resistant to ubiquitylation. Compared to WT SOCS3, Lys-less SOCS3 was indeed found to be completely resistant to ubiquitylation, and significantly more stable than WT SOCS3. These changes occurred in the absence of any detrimental effect on the ability of Lys-less SOCS3 to interact with the Elongin B/C components required to generate a functional E3 ligase complex. In addition, both WT and Lys-less SOCS3 were equally capable of inhibiting cytokine-stimulated STAT3 phosphorylation upon co-expression with a chimeric EpoR-gp130 receptor. To assess whether SOCS3 auto-ubiquitylates I generated an L189A SOCS3 mutant that could no longer bind the Elongins and therefore form the E3 ligase complex required for ubiquitylation. A denaturing IP to assess the ubiquitylation status of this mutant was performed and revealed that, despite an inability to bind the Elongins, the L189A mutant was poly-ubiquitylated similar to WT SOCS3. Together these data suggested that SOCS3 does not auto-ubiquitylate and that a separate E3 ligase must regulate SOCS3 ubiquitylation. This study sought to identify the E3 ligase and deubiquitylating (DUB) enzymes controlling the ubiquitylation of SOCS3. Our initial strategy was to develop a tool to screen an E3 ligase/DUB library, using an siARRAY, to sequentially knockdown all known E3 ligases in the presence of a SOCS3-luciferase fusion protein or endogenous SOCS3 in a high content imaging screening platform. However, due to a poor assay window (<2) and non-specific immunoreactivity of SOCS3 antibodies available, these methods were deemed unsuitable for screening purposes. In the absence of a suitable tool to screen the si-ARRAY, LC-MS-MS analysis of a SOCS3 co-immunoprecipitate (co-IP) was investigated. I performed a SOCS3 under conditions which preserved protein-protein interactions, with the aim of identifying novel E3 ligase and/or DUBs that could potentially interact with SOCS3. These data were searched for E3 ligase or DUB enzymes that may interact with SOCS3 in HEK293 cells and identified two promising candidates i) an E3 ligase known as HectD1 and ii) a DUB known as USP15. This thesis has demonstrated that in the presence of HectD1 overexpression, a slight increase in K63-linked polyubiquitylation of SOCS3 was observed. Mutagenesis also revealed that an N-terminal region of SOCS3 may act as a repressor of this interaction with HectD1. Additionally, USP15 was shown to reduce SOCS3 polyubiquitylation in a HEK293 overexpression system suggesting this may act as a DUB for SOCS3. The C-terminal region of SOCS3 was also shown to play a major role in the interaction with USP15. The original hypothesis of this thesis was that stabilisation of endogenous SOCS3 by inhibiting its ubiquitylation has the potential to limit vascular inflammation and NIH. Consistent with this hypothesis, immunohistochemistry visualisation of SOCS3, in human saphenous vein tissue derived from CABG patients, revealed that while SOCS3 was present throughout the media of these vessels the levels of SOCS3 within the neointima was reduced. Finally, preliminary data supporting the hypothesis that SOCS3 overexpression may limit the proliferation, but not migration, of human saphenous vein smooth muscle cells (HSVSMCs) is presented. It is expected that multiple E3 ligases and DUBs will contribute to the regulation of SOCS3 turnover. However, the identification of candidate E3 ligases or DUBs that play a significant role in SOCS3 turnover may facilitate the development of peptide disruptors or gene therapy targets to attenuate pathological SMC proliferation. A targeted approach, inhibiting the interaction between SOCS3 and identified E3 ligase, that controls the levels of SOCS3, would be expected to reduce the undesirable effects associated with global inhibition of the E3 ligase involved.

Eph kinases and their ligands ephrins act in concert with sex hormones in regulating blood pressure

Les Erythropoietin-producing hepatocyte (EPH) sont la plus grande famille de récepteurs tyrosine kinase. Leurs ligands, les éphrines (EFNs), sont aussi des molécules exprimées à la surface cellulaire. Les EPH/EFNs sont impliqués dans de nombreux processus biologiques. L'hypertension artérielle (PA) est une maladie chronique qui, aujourd'hui, est devenue un problème médical critique dans le monde entier et un enjeu de santé publique. La découverte de nouvelles thérapeutiques de l'hypertension sont d'une grande importance pour la santé publique. Jusqu’à tout récemment, il existe seulement quelques études concernant le rôle de l’axe EPH/EFNs sur la fonction des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Dans nos études précédentes, nous avons montré qu'EPHB6 et EFNB1, de concert avec les hormones sexuelles, régulent la PA. Dans la présente étude, nous avons constaté que les différents membres de la famille EPH/EFN peuvent réguler soit positivement, soit négativement, la contractilité des CMLV et la PA: tandis que EPHB4 et EFNB2 appartiennent à la première catégorie, EFNB1, EFNB3 et EPHB6 appartiennent à la deuxième. In vivo, des souris males, mais non pas des femelles, porteuses d’une mutation EPHB4 (KO) spécifique du muscle lisse présentent une PA diminuée, comparée aux souris témoins (WT). Les CMLV de souris EPHB4 KO, en présence de testostérone, ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par la phényléphrine (PE). Au niveau moléculaire, la phosphorylation de la protéine kinase II dépendante de Ca2+/calmoduline et de la kinase de la chaine légère de la myosine (CLM) est augmentée, tandis que la phosphorylation de la kinase de la CLM est réduite dans les CMLV KO lors de la stimulation par PE, par rapport au WT CMLV. Cela fournit une base moléculaire à la réduction de la PA et de la contractilité des CMLV chez les souris EPHB4 KO. EFNB2 est le ligand majeur de l’EPHB4. Comme attendu, les souris EFNB2 KO spécifique du muscle lisse avaient un phénotype de PA semblable, quoique non identique, aux souris EPHB4 KO. Les souris mâles EFNB2 KO, mais pas femelles, sous régime régulier ou riche en sel, présentent une PA réduite, par rapport à leurs homologues WT. Au niveau cellulaire, les CMLV des souris KO ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par PE par rapport aux témoins WT. Une région de l’acide aminé (aa) 313 à l’aa 331 dans la partie intracellulaire d’EFNB2 est essentielle pour la signalisation inverse qui régule la contractilité des CMLV, selon des études de mutation-délétion. Dans une étude de génétique humaine, nous avons identifié, dans le gène EFNB2, six SNP qui étaient associées significativement au risque d'hypertension artérielle, de façon dépendante du sexe, ce qui corrobore nos résultats chez les souris. En revanche, la délétion du gène EFNB3 (KO) chez les souris femelles aboutit à une PA élevée et à une augmentation des résistances des petites artères in vivo, améliore la contractilité des petites artères ex-vivo et augmente la contractilité des CMLV in vitro. Les souris mâles KO ont une PA normale, mais la castration conduit à une augmentation significative de la PA dans les souris KO, mais pas dans les souris WT. Les CMLV des souris KO femelles ont montré une phosphorylation accrue de la CLM et une phosphorylation réduite de la kinase de la CLM, ce qui fournit à nouveau une base moléculaire aux phénotypes de PA et de contractilité des CMLV observés. Ce changement de signalisation est attribuable à une protéine adaptatrice Grip1. En effet, dans une étude d'association pan génomique par le Consortium International pour la Pression Sanguine, un SNP dans le gène GRIP1 a approché le seuil de significativité de la valeur p pour son association avec la pression diastolique. Nos recherches, pour la première fois, ont révélé que EPH/EFNs sont de nouveaux composants dans le système de régulation de la PA. Les membres de la famille EPH/EFN peuvent agir comme des forces Yin et Yang pour régler finement le tonus des vaisseaux pour assurer l'homéostasie de la PA et de sa régulation. Ces effets de EPH/EFNs dépendent du sexe et des niveaux d’hormones sexuelles. À partir de ces nouvelles connaissances, nous pourrions développer une nouvelle thérapie personnalisée pour l’hypertension artérielle, utilisant des antagonistes d'hormones sexuelles ou des thérapies de remplacement d'hormones sexuelles, selon les niveaux d'hormones sexuelles des patients et les mutations dans les gènes de l'EPH/EFN.

Anatomical, histochemical and immunohistochemical characterization of the outflow tract of ray hearts (Rajiformes; Chondrichthyes)

Recent work has shown that the cardiac outflow tract of sharks and chimaeras does not consist of a single myocardial component, the conus arteriosus, as classically accepted, but two, namely, the myocardial conus arteriosus and the non-myocardial bulbus arteriosus. However, the anatomical composition of the outflow tract of the batoid hearts remains unknown. The present study was designed to fill this gap. The material examined consisted of hearts of two species of rays, namely, the Mediterranean starry ray (Raja asterias) and sandy ray (Leucoraja circularis). They were studied using scanning electron microscopy, and histochemical and inmunohistochemical techniques. In both species, the outflow tract consists of two components, proximal and distal with regard to the ventricle. The proximal component is the conus arteriosus; it is characterized by the presence of compact myocardium in its wall and several transverse rows of pocket-shaped valves at its luminal side. Each valve consists of a leaflet and its supporting sinus. Histologically, the leaflet has two fibrosas, inner and outer, and a middle coat, the spongiosa. The distal component lacks myocardium. Its wall consists of smooth muscle cells, elastic fibers and collagen. Thus, it shows an arterial-like structure. However, it differs from the aorta because it is covered by the epicardium and crossed by coronary arteries. These findings indicate that the distal component is morphologically equivalent to the bulbus arteriosus of sharks and chimaeras. In contrast to foregoing descriptions, the valves of the first transverse row are distally anchored to the bulbus arteriosus and not to the ventral aorta. Our findings give added support to the notion that presence of a bulbus arteriosus at the arterial pole of the heart is common to all chondrichtyans, and not an apomorphy of actinopterygians as classically thought.

Reguladores da expressão do gene da proteía Gla da matriz (MGP) numa linha celular derivada de peixe

Dissertação de mest. em Biotecnologia, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2004

Régulation de la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires par l’activation in vivo du récepteur natriurétique de type C.

Le remodelage vasculaire dû à l’hyper-prolifération cellulaire des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) observé chez les rats spontanément hypertendus (RSH) est associé à l’hypertension artérielle. Nous avons précédemment démontré que le traitement in vivo des RSH par l’agoniste spécifique du récepteur du peptide natriurétique de type C (NPR-C), le C-ANP4-23 atténue l’hyper-prolifération des CMLVs. Nous avons entrepris cette étude afin d’investiguer si l’effet antiprolifératif du C-ANP4-23 agit par l’entremise de l’inhibition de la surexpression des protéines du cycle cellulaire, et afin d’en explorer les mécanismes sous-jacents. Pour cette étude, des RSH et des rats Wistar Kyoto (WKYs) âgés de deux semaines ont été injectés en intra-péritonéale par le C-ANP4-23 de 2 jusqu’à 8 semaines d’âge, deux fois par semaine et sacrifiés à la 9ème semaine. La pression artérielle a été mesurée par méthode Queue-coiffe, la prolifération des CMLVs a été déterminée par incorporation de thymidine et par test MTT, et l’expression des protéines a été quant à elle déterminée par technique d’immunobuvardage de type Western. Les CMLVs des RSH ont démontré une prolifération élevée en comparaison avec celles des WKYs, et le traitement par le C-ANP4-23 a atténué l’hyperprolifération à un niveau de contrôle. De plus, la surexpression des cyclines D1/A/E, des kinases cyclines dépendantes 2 et 4 (cdk2, cdk4), de la forme phosphorylée de la protéine du rétinoblastome et des protéines Gαi des CMLV des RSH a été atténuée à un niveau de contrôle. Par ailleurs, l’hyperphosphorylation d’ERK1/2, AKT, EGF-R, PDGF-R, IGF-R et de c-Src a significativement diminué par le traitement au C-ANP4-23. En outre, le niveau élevé de l’anion superoxyde (O2-), l’activité de la NADP(H) oxydase et de ses sous unités chez les RSH ont été atténués par le C-ANP4-23 .Ces résultats indiquent que l’activation in vivo de NPR-C atténue la surexpression des protéines du cycle cellulaire via l’inhibition de l’activité élevée du stress oxydatif, de c-Src et de l’activation de EGF-R, PDGF- R, IGF-R, de la signalisation de MAPK et la surexpression des protéines Gαi résultant ainsi en l’inhibition de l’hyperprolifération des CMLVs des RSH. Ainsi, il peut être suggéré que le C-ANP4-23 pourrait être utilisé comme agent thérapeutique pour le traitement des complications vasculaires associées à l’hypertension et à l’athérosclérose.

Preservation of Nitric Oxide Availability as Nitrite and Nitrosothiols

Nitric Oxide (NO) has been known for long to regulate vessel tone. However, the close proximity of the site of NO production to “sinks” of NO such as hemoglobin (Hb) in blood suggest that blood will scavenge most of the NO produced. Therefore, it is unclear how NO is able to play its physiological roles. The current study deals with means by which this could be understood. Towards studying the role of nitrosothiols and nitrite in preserving NO availability, a study of the kinetics of glutathione (GSH) nitrosation by NO donors in aerated buffered solutions was undertaken first. Results suggest an increase in the rate of the corresponding nitrosothiol (GSNO) formation with an increase in GSH with a half-maximum constant EC50 that depends on NO concentration, thus indicating a significant contribution of ∙NO2 mediated nitrosation in the production of GSNO. Next, the ability of nitrite to be reduced to NO in the smooth muscle cells was evaluated. The NO formed was inhibited by sGC inhibitors and accelerated by activators and was independent of O2 concentration. Nitrite transport mechanisms and effects of exogenous nitrate on transport and reduction of nitrite were examined. The results showed that sGC can mediate nitrite reduction to NO and nitrite is transported across the smooth muscle cell membrane via anion channels, both of which can be attenuated by nitrate. Finally, a 2 – D axisymmetric diffusion model was constructed to test the accumulation of NO in the smooth muscle layer from reduction of nitrite. It was observed that at the end of the simulation period with physiological concentrations of nitrite in the smooth muscle cells (SMC), a low sustained NO generated from nitrite reduction could maintain significant sGC activity and might affect vessel tone. The major nitrosating mechanism in the circulation at reduced O2 levels was found to be anaerobic and a Cu+ dependent GSNO reduction activity was found to deliver minor amounts of NO from physiological GSNO levels in the tissue.