Cyclic AMP increases the survival of ganglion cells in mixed retinal cell cultures in the absence of exogenous neurotrophic molecules, an effect that involves cholinergic activity

Natural cell death is a well-known degenerative phenomenon occurring during development of the nervous system. The role of trophic molecules produced by target and afferent cells as well as by glial cells has been extensively demonstrated. Literature data demonstrate that cAMP can modulate the survival of neuronal cells. Cultures of mixed retinal cells were treated with forskolin (an activator of the enzyme adenylyl cyclase) for 48 h. The results show that 50 µM forskolin induced a two-fold increase in the survival of retinal ganglion cells (RGCs) in the absence of exogenous trophic factors. This effect was dose dependent and abolished by 1 µM H89 (an inhibitor of protein kinase A), 1.25 µM chelerythrine chloride (an inhibitor of protein kinase C), 50 µM PD 98059 (an inhibitor of MEK), 25 µM Ly 294002 (an inhibitor of phosphatidylinositol-3 kinase), 30 nM brefeldin A (an inhibitor of polypeptide release), and 10 µM genistein or 1 ng/ml herbimycin (inhibitors of tyrosine kinase enzymes). The inhibition of muscarinic receptors by 10 µM atropine or 1 µM telenzepine also blocked the effect of forskolin. When we used 25 µM BAPTA, an intracellular calcium chelator, as well as 20 µM 5-fluoro-2'-deoxyuridine, an inhibitor of cell proliferation, we also abolished the effect. Our results indicate that cAMP plays an important role controlling the survival of RGCs. This effect is directly dependent on M1 receptor activation indicating that cholinergic activity mediates the increase in RGC survival. We propose a model which involves cholinergic amacrine cells and glial cells in the increase of RGC survival elicited by forskolin treatment.

Specific structural features of syndecans and heparan sulfate chains are needed for cell signaling

The syndecans, heparan sulfate proteoglycans, are abundant molecules associated with the cell surface and extracellular matrix and consist of a protein core to which heparan sulfate chains are covalently attached. Each of the syndecan core proteins has a short cytoplasmic domain that binds cytosolic regulatory factors. The syndecans also contain highly conserved transmembrane domains and extracellular domains for which important activities are becoming known. These protein domains locate the syndecan on cell surface sites during development and tumor formation where they interact with other receptors to regulate signaling and cytoskeletal organization. The functions of cell surface heparan sulfate proteoglycan have been centered on the role of heparan sulfate chains, located on the outer side of the cell surface, in the binding of a wide array of ligands, including extracellular matrix proteins and soluble growth factors. More recently, the core proteins of the syndecan family transmembrane proteoglycans have also been shown to be involved in cell signaling through interaction with integrins and tyrosine kinase receptors.

Novel mechanisms of growth hormone regulation: growth hormone-releasing peptides and ghrelin

Growth hormone secretion is classically modulated by two hypothalamic hormones, growth hormone-releasing hormone and somatostatin. A third pathway was proposed in the last decade, which involves the growth hormone secretagogues. Ghrelin is a novel acylated peptide which is produced mainly by the stomach. It is also synthesized in the hypothalamus and is present in several other tissues. This endogenous growth hormone secretagogue was discovered by reverse pharmacology when a group of synthetic growth hormone-releasing compounds was initially produced, leading to the isolation of an orphan receptor and, finally, to its endogenous ligand. Ghrelin binds to an active receptor to increase growth hormone release and food intake. It is still not known how hypothalamic and circulating ghrelin is involved in the control of growth hormone release. Endogenous ghrelin might act to amplify the basic pattern of growth hormone secretion, optimizing somatotroph responsiveness to growth hormone-releasing hormone. It may activate multiple interdependent intracellular pathways at the somatotroph, involving protein kinase C, protein kinase A and extracellular calcium systems. However, since ghrelin has a greater ability to release growth hormone in vivo, its main site of action is the hypothalamus. In the current review we summarize the available data on the: a) discovery of this peptide, b) mechanisms of action of growth hormone secretagogues and ghrelin and possible physiological role on growth hormone modulation, and c) regulation of growth hormone release in man after intravenous administration of these peptides.

Immunohistochemical characterization of the chick marginal retina

The retina is a highly differentiated tissue with a complex layered structure that has been extensively characterized. However, most of the previous studies focused on the histology of the central retina while little is known about the cellular composition, organization and function of the marginal retina. Recent research has identified a subpopulation of multipotential progenitor cells in the marginal regions of the retina, closest to the ciliary body ("ciliary marginal zone"). These cells are capable of differentiation in response to an appropriate stimulus. Thus, it is possible that the structure and composition of the marginal retina are distinct from those of the central retina to accommodate the potential addition of newly formed neurons. To characterize the cellular profile of the chick marginal retina, we labeled it immunohistochemically for markers whose staining pattern is well established in the central retina: calbindin, calretinin, protein kinase C, and choline acetyltransferase. Calbindin was present at very low levels in the marginal retina putative photoreceptor layer. Calretinin-positive horizontal cells were also sparse close to the ciliary marginal zone. The bipolar cells in the marginal outer plexiform layer were positive for anti-protein kinase C antibodies, but the density of labeling was also decreased in relation to the central retina. In contrast, the marginal starburst cholinergic amacrine cell pattern was very similar to the central retina. From these data we conclude that the structure of the marginal retina is significantly different from that of the central retina. In particular, the expression of late retina markers in the marginal retina decreased in comparison to the central retina.

Modulation of rhodopsin gene expression and signaling mechanisms evoked by endothelins in goldfish and murine pigment cell lines

Endothelins (ETs) and sarafotoxins (SRTXs) belong to a family of vasoconstrictor peptides, which regulate pigment migration and/or production in vertebrate pigment cells. The teleost Carassius auratus erythrophoroma cell line, GEM-81, and Mus musculus B16 melanocytes express rhodopsin, as well as the ET receptors, ETB and ETA, respectively. Both cell lines are photoresponsive, and respond to light with a decreased proliferation rate. For B16, the doubling time of cells kept in 14-h light (14L):10-h darkness (10D) was higher compared to 10L:14D, or to DD. The doubling time of cells kept in 10L:14D was also higher compared to DD. Using real-time PCR, we demonstrated that SRTX S6c (12-h treatment, 100 pM and 1 nM; 24-h treatment, 1 nM) and ET-1 (12-h treatment, 10 and 100 pM; 24- and 48-h treatments, 100 pM) increased rhodopsin mRNA levels in GEM-81 and B16 cells, respectively. This modulation involves protein kinase C (PKC) and the mitogen-activated protein kinase cascade in GEM-81 cells, and phospholipase C, Ca2+, calmodulin, a Ca2+/calmodulin-dependent kinase, and PKC in B16 cells. Cells were kept under constant darkness throughout the gene expression experiments. These results show that rhodopsin mRNA levels can be modulated by SRTXs/ETs in vertebrate pigment cells. It is possible that SRTX S6c binding to the ETB receptors in GEM-81 cells, and ET-1 binding to ETA receptors in B16 melanocytes, although activating diverse intracellular signaling mechanisms, mobilize transcription factors such as c-Fos, c-Jun, c-Myc, and neural retina leucine zipper protein. These activated transcription factors may be involved in the positive regulation of rhodopsin mRNA levels in these cell lines.

Inhibition of PKC-dependent extracellular Ca2+ entry contributes to the depression of contractile activity in long-term pressure-overloaded endothelium-denuded rat aortas

We examined the contractile responsiveness of rat thoracic aortas under pressure overload after long-term suprarenal abdominal aortic coarctation (lt-Srac). Endothelium-dependent angiotensin II (ANG II) type 2 receptor (AT2R)-mediated depression of contractions to ANG II has been reported in short-term (1 week) pressure-overloaded rat aortas. Contractility was evaluated in the aortic rings of rats subjected to lt-Srac or sham surgery (Sham) for 8 weeks. ANG I and II levels and AT2R protein expression in the aortas of lt-Srac and Sham rats were also evaluated. lt-Srac attenuated the contractions of ANG II and phenylephrine in the aortas in an endothelium-independent manner. However, lt-Srac did not influence the transient contractions induced in endothelium-denuded aortic rings by ANG II, phenylephrine, or caffeine in Ca2+-free medium or the subsequent tonic constrictions induced by the addition of Ca2+ in the absence of agonists. Thus, the contractions induced by Ca2+ release from intracellular stores and Ca2+ influx through stored-operated channels were not inhibited in the aortas of lt-Srac rats. Potassium-elicited contractions in endothelium-denuded aortic rings of lt-Srac rats remained unaltered compared with control tissues. Consequently, the contractile depression observed in aortic tissues of lt-Srac rats cannot be explained by direct inhibition of voltage-operated Ca2+ channels. Interestingly, 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate-induced contractions in endothelium-denuded aortic rings of lt-Srac rats were depressed in the presence but not in the absence of extracellular Ca2+. Neither levels of angiotensins nor of AT2R were modified in the aortas after lt-Srac. The results suggest that, in rat thoracic aortas, lt-Srac selectively inhibited protein kinase C-mediated activation of contraction that is dependent on extracellular Ca2+ entry.

Vascular O-GlcNAcylation augments reactivity to constrictor stimuli by prolonging phosphorylated levels of the myosin light chain

O-GlcNAcylation is a modification that alters the function of numerous proteins. We hypothesized that augmented O-GlcNAcylation levels enhance myosin light chain kinase (MLCK) and reduce myosin light chain phosphatase (MLCP) activity, leading to increased vascular contractile responsiveness. The vascular responses were measured by isometric force displacement. Thoracic aorta and vascular smooth muscle cells (VSMCs) from rats were incubated with vehicle or with PugNAc, which increases O-GlcNAcylation. In addition, we determined whether proteins that play an important role in the regulation of MLCK and MLCP activity are directly affected by O-GlcNAcylation. PugNAc enhanced phenylephrine (PE) responses in rat aortas (maximal effect, 14.2±2 vs 7.9±1 mN for vehicle, n=7). Treatment with an MLCP inhibitor (calyculin A) augmented vascular responses to PE (13.4±2 mN) and abolished the differences in PE-response between the groups. The effect of PugNAc was not observed when vessels were preincubated with ML-9, an MLCK inhibitor (7.3±2 vs 7.5±2 mN for vehicle, n=5). Furthermore, our data showed that differences in the PE-induced contractile response between the groups were abolished by the activator of AMP-activated protein kinase (AICAR; 6.1±2 vs 7.4±2 mN for vehicle, n=5). PugNAc increased phosphorylation of myosin phosphatase target subunit 1 (MYPT-1) and protein kinase C-potentiated inhibitor protein of 17 kDa (CPI-17), which are involved in RhoA/Rho-kinase-mediated inhibition of myosin phosphatase activity. PugNAc incubation produced a time-dependent increase in vascular phosphorylation of myosin light chain and decreased phosphorylation levels of AMP-activated protein kinase, which decreased the affinity of MLCK for Ca2+/calmodulin. Our data suggest that proteins that play an important role in the regulation of MLCK and MLCP activity are directly affected by O-GlcNAcylation, favoring vascular contraction.

The role of cyclic nucleotides in modulation of crayfish neuromuscular junctions by a neuropeptide /

DF2, a heptapeptide, is a member of the family of FMRFamide-like peptides and has been shown to increase the amount of transmitter released at neuromuscular junctions of the crayfish, Procambarus clarkit Recent evidence has shown that protein kinase C (PKC), calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and the cAMPdependent protein kinase (PKA) play a role in the neuromodulatory pathway of DF2. The involvement of these kinases led to the prediction that a G-protein-coupled receptor (GPCR) is activated by DF2 due to the role that each kinase plays in traditional GPCR pathways seen in other organisms and in other cells. G-proteins can also act on an enzyme that generates cyclic guanosine monophosphate (cGMP) which mediates its effects through a cGMP-dependent protein kinase (PKG). This thesis addresses the question of whether or not DF2's effects on synaptic transmission in crayfish are mediated by the cyclic nucleotides cAMP and cGMP. The effects of DF2 on synaptic transmission were examined using deep abdominal extensor muscles of the crayfish Procambarus clarkii. An identified motor neuron was stimulated, and excitatory post-synaptic potentials (EPSPs) were recorded in abdominal extensor muscle LI . A number of activators and inhibitors were used to determine whether or not cAMP, PKA, cGMP and PKG mediate the effect of this peptide. Chemicals that are known to activate PKA (Sp-cAMPS) and/or PKG (8-pCPTcGMP) mimic and potentiate DF2's effect by increasing EPSP amplitude. Inhibitors of either PKA (Rp-cAMPS) or PKG (Rp-8-pCPT-cGMPS) block a portion of the increase in EPSP amplitude induced by the peptide. When both kinase inhibitors are applied simultaneously, the entire effect of DF2 on EPSPs is blocked. The PKG inhibitor blocks the effects of a PKG activator but does not alter the effect of a PKA activator on EPSP amplitude. Thus, the PKG inhibitor appears to be relatively specific for PKG. A trend in the data suggests that the PKA inhibitor blocks a portion of the response elicited by the PKG activator. Thus, the PKA inhibitor may be less specific for PKA. Phosphodiesterase inhibitors, which are known to inhibit the breakdown of cAMP (IBMX) and/or cGMP (mdBAMQ), potentiate the effect of the peptide. These results support the hypothesis that cAMP and cGMP, acting through their respective protein kinase enzymes, mediate the ability of DFi to increase transmitter output.

Biological effects of resveratrol on skeletal muscle cells

Resveratrol, a polyphenol found in red wine, has been reported to have antithrombotic, antiatherogenic, and anticancer properties both in vitro and III VIVO. However, possible antidiabetic properties of resveratrol have not been examined. The objective of this study was to investigate the direct effects of resveratrol on basal and insulin-stimulated glucose uptake and to elucidate its mechanism of action in skeletal muscle cells. In addition, the effects of resveratrol on basal and insulin- stimulated amino acid transport and mitogenesis were also examined. Fully differentiated L6 rat skeletal muscle cells were incubated with resveratrol concentrations ranging from 1 to 250 IlM for 15 to 120 min. Maximum stimulation, 201 ± 8.90% of untreated control, (p<0.001), of2eH] deoxy- D- glucose (2DG) uptake was seen with 100 IlM resveratrol after 120 min. Acute, 30 min, exposure of the cells to 100 nM insulin stimulated 2DG uptake to 226 ± 12.52% of untreated control (p<0.001). This appears to be a specific property of resveratrol that is not shared by structurally similar antioxidants such as quercetin and rutin, both of which did not have any stimulatory effect. Resveratrol increased the response of the cells to submaximal insulin concentrations but did not alter the maximum insulin response. Resveratrol action did not require insulin and was not blocked by the protein synthesis inhibitor cycloheximide. L Y294002 and wortmannin, inhibitors of PI3K, abolished both insulin and resveratrolstimulated glucose uptake while phosphorylation of AktlPKB, ERK1I2, JNK1I2, and p38 MAPK were not increased by resveratrol. Resveratrol did not stimulate GLUT4 transporter translocation in GLUT4cmyc overexpressing cells, in contrast to the significant translocation observed with insulin. Furthermore, resveratrol- stimulated glucose transport was not blocked by the presence of the protein kinase C (PKC) inhibitors BIMI and G06983. Despite that, resveratrol- induced glucose transport required an intact actin network, similar to insulin. In contrast to the stimulatory effect seen with resveratrol for glucose transport, e4C]methylaminoisobutyric acid (MeAIB) transport was inhibited. Significant reduction of MeAIB uptake was seen only with 100uM resveratrol (74.2 ± 6.55% of untreated control, p<0.05), which appeared to be maximum. In parallel experiments, insulin (100 nM, 30 min) increased MeAIB transport by 147 ± 5.77% (p<0.00l) compared to untreated control. In addition, resveratrol (100 JlM, 120 min) completely abolished insulin- stimulated amino acid transport (103 ± 7.35% of untreated control,p>0.05). Resveratrol also inhibited cell proliferation in L6 myoblasts with maximal inhibition of eH]thymidine incorporation observed with resveratrol at 50 J.LM after 24 hours (8 ± 1.59% of untreated control, pcantly increased thymidine incorporation (280 ± 9.92% of untreated control, pcontaining 10% FBS resulted in stimulation of thymidine incorporation to 691 ± 36.92% of untreated control, pcompletely abolished both insulin- (11 ± 1.26% of untreated control,pcontrol, p<0.05) cell proliferation. These results suggest that resveratrol increases glucose transport in L6 skeletal muscle cells by a mechanism that is in4ependent of insulin and protein synthesis. Resveratrol- stimulated glucose uptake may be PI3K and actin cytoskeleton- dependent and independent of AktIPKB, PKC, ERK1I2, JNK1I2, p38 MAPK, and GLUT4 translocation. However, unlike glucose transport, resveratrol inhibits both basal and insulin- stimulated amino acid transport and mitogenesis.

Mechanisms underlying Retinoic acid-induced chemoattraction in molluscan neurons

Retinoic acid, a derivative of vitamin A, is known to play diverse roles in development and regeneration. Previous research in the mollusc Lymnaea stagnalis has shown that a gradient of all-trans retinoic acid attracts the growth cones of cultured neurons. The present study investigates the sub-cellular mechanisms within the growth cones of Lymnaea pedal A neurons which mediate the attractive response to a gradient of alltrans retinoic acid. In this study, the mechanism of growth cone turning is shown to be local, as neurites mechanically isolated from their cell body retain the capacity to turn towards an exogenous gradient of all-trans retinoic acid. The turning response is dependent on the initiation of protein synthesis and calcium influx, but does not appear to involve signaling through protein kinase C (PKC). The retinoid X receptor (RXR), which classically functions as a transcription factor, was also shown to be involved in the turning response, functioning locally through a non-genomic pathway. These data show, for the first time in any species, that all-trans retinoic acid's chemotropic action involves a local mechanism involving non-genomic signaling through the RXR. As retinoic acid is known to playa role in regeneration, understanding the mechanisms underlying retinoic acid signaling may lead to further advances in regenerative neuroscience.

Phosphorylation of Skeletal Muscle Pyruvate Dehydrogenase Phosphatase in Response to Insulin Stimulation

Pyruvate dehydrogenase phosphatase (PDP) regulates carbohydrate oxidation through the pyruvate dehydrogenase (PDH) complex. PDP activates PDH, enabling increased carbohydrate flux towards oxidative energy production. In culture myoblasts, both PDP1 and PDP2 undergo covalent activation in response to insulin–stimulation by protein kinase C delta (PKCδ). Our objective was to examine the effect of insulin on PDP phosphorylation and PDH activation in skeletal muscle. Intact rat extensor digitorum longus muscles were incubated (oxygenated at 25°C, 1g of tension) for 30min in basal or insulin–stimulated (10 mU/mL) media. PDH activity increased 58% following stimulation, (p=0.057, n=11). Serine phosphorylation of PDP1 (p=0.047) and PDP2 (p=0.006) increased by 29% and 48%, respectively (n=8), and mitochondrial PKCδ protein content was enriched by 45% in response to stimulation (p=0.0009, n=8). These data suggest that the insulin–stimulated increase in PDH activity in whole tissue is mediated through mitochondrial migration of PKCδ and subsequent PDP phosphorylation.

Régulation de la lipoprotéine lipase macrophagique et de LOX-1 par des facteurs métaboliques. Implications dans l’athérosclérose associée au diabète de type 2.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de décès dans les pays occidentaux et constituent la principale complication associée au diabète. La lipoprotéine lipase (LPL) est une enzyme clé du métabolisme des lipides et est responsable de l'hydrolyse des lipoprotéines riches en triglycérides (TG). Plusieurs études ont démontré que la LPL sécrétée par les macrophages dans la paroi artérielle est pro-athérogénique. La dysfonction endothéliale caractérise les stades précoces du processus athérosclérotique. Il a été observé qu’un récepteur nouvellement identifié des lipoprotéines de basse densité oxydées (LDLox), le récepteur de type lectine des LDLox (LOX-1), est fortement exprimé dans les lésions athérosclérotiques humaines et dans l’aorte de rats diabétiques, suggérant un rôle clé de LOX-1 dans la pathogénèse de l’athérosclérose diabétique. Au vu du rôle potentiel de la LPL macrophagique et du LOX-1 dans l’athérosclérose associée au diabète de type 2, nous avons évalué la régulation de ces deux molécules pro-athérogéniques par des facteurs métaboliques et inflammatoires augmentés dans le diabète, soit la leptine, l’acide linoléique (LA) et la protéine C-réactive (CRP). Nos résultats démontrent que : 1) Dans les cellules endothéliales aortiques humaines (HAECs), LA augmente l’expression protéique de LOX-1 de façon temps- et dose-dépendante; 2) La pré-incubation de HAECs avec des antioxydants et des inhibiteurs de la NADPH oxydase, de la protéine kinase C (PKC) et du facteur nucléaire-kappa B (NF-kB), inhibe l’effet stimulant de LA sur l’expression protéique de LOX-1; 3) Dans les HAECs traitées avec LA, on observe une augmentation d’expression des isoformes classiques de la PKC; 4) LA augmente de manière significative l’expression génique de LOX-1 ainsi que la liaison des protéines nucléaires extraites des HAECs à la séquence régulatrice NF-kB présente dans le promoteur du gène de LOX-1; 5) LA augmente, via LOX-1, la captation des LDLox par les cellules endothéliales. Pris dans leur ensemble, ces résultats démontrent que LA augmente l’expression endothéliale de LOX-1 in vitro et appuient le rôle clé de LA dans la dysfonction endothéliale associée au diabète. Au vu de nos études antérieures démontrant qu’une expression accrue de LPL macrophagique chez les patients diabétiques de type 2 et que l’augmentation de facteurs métaboliques dans cette maladie, soit l’homocystéine (Hcys), les acides gras et les produits terminaux de glycation (AGE), accroissent l’expression de la LPL macrophagique, nous avons par la suite déterminé l’effet, in vitro, de deux autres facteurs métaboliques et inflammatoires surexprimés dans le diabète, soit la leptine et la CRP, sur l’expression de la LPL macrophagique. Les concentrations plasmatiques de leptine sont élevées chez les patients diabétiques et sont associées à un accroissement des risques cardiovasculaires. Nous avons démontré que : 1) Dans les macrophages humains, la leptine augmente l’expression de la LPL, tant au niveau génique que protéique; 2) L’effet stimulant de la leptine sur la LPL est aboli par la pré-incubation avec un anticorps dirigé contre les récepteurs à la leptine (Ob-R), des inhibiteurs de la PKC et des antioxydants; 3) La leptine augmente l’expression membranaire des isoformes classiques de la PKC et la diminution de l’expression endogène de la PKC, abolit l’effet de la leptine sur l’expression de la LPL macrophagique; 4) Dans les macrophages murins, la leptine augmente le taux de synthèse de la LPL et augmente la liaison de protéines nucléaires à la séquence protéine activée-1 (AP-1) du promoteur du gène de la LPL. Ces observations supportent la possibilité que la leptine puisse représenter un facteur stimulant de la LPL macrophagique dans le diabète. Finalement, nous avons déterminé, in vitro, l’effet de la CRP sur l’expression de la LPL macrophagique. La CRP est une molécule inflammatoire et un puissant prédicteur d’événements cardiovasculaires. Des concentrations élevées de CRP sérique sont documentées chez les patients diabétiques de type 2. Nous avons démontré que : 1) Dans les macrophages humains, la CRP augmente l’expression de la LPL au niveau génique et protéique et la liaison de la CRP aux récepteurs CD32 est nécessaire pour médier ses effets; 2) La pré-incubation de macrophages humains avec des antioxydants, des inhibiteurs de la PKC et de la protéine kinase mitogénique activée (MAPK), prévient l’induction de la LPL par la CRP; 3) La CRP augmente l’activité de la LPL, la génération intracellulaire d’espèces radicalaires oxygénées (ROS), l’expression d’isoformes classiques de la PKC et la phosphorylation des kinases extracellulaires régulées 1/2 (ERK 1/2); 4) Les macrophages murins traités avec la CRP démontrent une augmentation de la liaison des protéines nucléaires à la séquence AP-1 du promoteur du gène de la LPL. Ces données suggèrent que la LPL puisse représenter un nouveau facteur médiant les effets délétères de la CRP dans la vasculopathie diabétique. Dans l’ensemble nos études démontrent le rôle clé de facteurs métaboliques et inflammatoires dans la régulation vasculaire de la LPL et du LOX-1 dans le diabète. Nos données suggèrent que la LPL et le LOX-1 puissent représenter des contributeurs clé de l’athérogénèse accélérée associée au diabète chez l’humain. Mots-clés : athérosclérose, maladies cardiovasculaires, diabète de type 2, macrophage, LPL, cellules endothéliales, LOX-1, stress oxydatif, leptine, LA, CRP.

Modulation de la voie de signalisation de Gαq par l’hyperglycémie : mécanisme moléculaire

Les complications vasculaires telles que l’augmentation de la contractilité et la prolifération cellulaire sont les complications les plus communes observées dans le diabète et l’hyperglycémie chronique est un facteur important dans ces processus. La voie de signalisation de Gαq joue un rôle important dans la régulation du tonus vasculaire et l’altération de celle-ci peut contribuer aux complications vasculaires observées dans les cas de diabète et d’hyperglycémie. Il a été observé que les taux et l’activité des protéines kinase C (PKC) et du diacylglycérol (DAG) sont augmentés dans ces conditions. Cependant, aucune étude n’a démontré l’implication de Gαq/11 et des PLCβ, molécules de signalisation en amont de PKC/DAG. Plusieurs études révèlent que l’augmentation des taux et de l’activité des PKC et du DAG induite par l’hyperglycémie dans des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) est attribuée à l’augmentation du stress oxydatif. De plus, les niveaux de certains peptides vasoactifs, tels que l’angiotensine II et l’endothéline-1, augmentés dans les conditions de diabète/d’hyperglycémie, peuvent contribuer à l’augmentation du stress oxydatif observée. Le travail présenté dans cette thèse avait pour but d’examiner les effets de l’hyperglycémie sur les niveaux d’expression protéique de Gαq/11 et de ses molécules associées, ainsi que d’étudier le mécanisme moléculaire par lequel l’hyperglycémie module la voie de signalisation de Gαq dans les CMLV. Dans la première étude, nous avons examiné si l’hyperglycémie pouvait moduler l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ1 et PLCβ2. Le prétraitement des CMLV A10 avec 26 mM de glucose durant 72 heures augmente l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 en comparaison avec les CMLV témoins. Le traitement avec des antagonistes aux récepteurs AT1 de l’Ang II, et ETA/ETB de l’ET-1, atténue la hausse de Gαq, de Gα11, de PLCβ1 et de PLCβ2 induite par l’hyperglycémie. De plus, la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 était plus élevée dans les CMLV exposée à 26 mM de glucose. Le traitement des CMLV A10 avec l’Ang II et l’ET-1 augmente également les niveaux d’expression des protéines Gα q/11 et PLCβ. Cette augmentation de l’expression est restaurée au niveau des CMLV témoins par les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ dans les CMLV induite par l’hyperglycémie est attribuée à l’activation des récepteurs AT1, ETA et ETB. Dans la seconde étude, nous avons examiné l’implication du stress oxydatif dans l’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. Nous avons également déterminé le mécanisme responsable de l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie. L’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ des CMLV A10 exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec l’antioxydant diphenyleneiodonium (DPI), et la catalase, un chélateur du peroxyde d’hydrogène, mais pas par le 111Mn-tetralis(benzoic acid porphyrin) (MnTBAP) ni par l’acide urique, des chélateurs du peroxynitrite. De plus, l’augmentation de la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 dans les CMLV exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec le DPI et la catalase. Ces résultats suggèrent que l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie contribue à l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq. De plus, l’augmentation de la production d’anion superoxyde (O2-), de l’activité de la NADPH oxydase et de l’expression des protéines p22(phox) et p47(phox) induite par l’hyperglycémie est revenue à un niveau basal après un traitement avec les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’hyperglycémie augmente les niveaux endogènes de l’Ang II et de l’ET-1, ce qui augmente le stress oxydatif par la formation d’O2- et de H2O2 et peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gq/11α et de leurs molécules de signalisation. Puisqu’il a été observé que l’hyperglycémie transactive les récepteurs aux facteurs de croissance tels que le récepteur au facteur de croissance épidermique (EGF-R) et le récepteur au facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF-R), nous avons entrepris d’examiner, dans la troisième étude, l’implication d’EGF-R et de PDGF-R dans l’augmentation des niveaux de Gαq/11, de PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. L’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 induite par l’hyperglycémie est revenue au niveau basal après un traitement avec les inhibiteurs d’EGF-R (AG1478) et de PDGF-R (AG1295) et par l’inhibiteur de c-Src, PP2. L’augmentation de la phosphorylation d’EGF-R et de PDGF-R induite par l’hyperglycémie a été abolie par AG1478, AG1295 et PP2. De plus, l’augmentation des niveaux de Gαq/11, et de PLCβ induite par l’hyperglycémie est atténuée par l’inhibiteur des MAPK, le PD98059, et par l’inhibiteur d’AKT, le wortmannin. L’augmentation de la phosphorylation d’ERK et d’AKT était également atténuée par AG1478 et AG1295. Ces résultats suggèrent que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par c-Src peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gα q/11/PLC et de leur signalisation par la voie des MAPK/PI3K. En conclusion, les études présentées dans cette thèse indiquent que l’hyperglycémie augmente les niveaux de Gαq/11 et de PLCβ. Nous avons émis des évidences qui démontrent que l’augmentation endogène de l’Ang II et de l’ET-1 par l’hyperglycémie peut contribuer à l’augmentation de la production d’O2- et de H2O2 résultant ainsi en une augmentation du stress oxydatif qui pourrait être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et de leur signalisation dans les conditions d’hyperglycémie. Finalement, nous avons démontré que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par l’hyperglycémie peut être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq dans les cas de diabète et d’hyperglycémie.

Le diabète maternel influence la morphogenèse rénale et la programmation périnatale

Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel.