Aspects of the hemes and modulation of hydrogen donors in catalases from bovine liver, yeast, and escherichia coli

Catalase is the enzyme which decomposes hydrogen peroxide to water and oxygen. Escherichia coli contains two catalases. Hydroperoxidase I (HPI) is a bifunctional catalase-peroxidase. Hydroperoxidase II (HPII) is only catalytically active toward H202. Expression of the genes encoding these proteins is controlled by different regimes. HPJI is thought to be a hexamer, having one heme d cis group per enzymatic subunit. HPII wild type protein and heme containing mutant proteins were obtained from the laboratory of P. Loewen (Univ. of Manitoba). Mutants constructed by oligonucleotidedirected mutagenesis were targeted for replacement of either the His128 residue or the Asn201 residue in the vicinity of the HPII heme crevice. His128 is the residue thought to be analogous to the His74 distal axial ligand of the heme in the bovine liver enzyme, and Asn201 is believed to be a residue critical to the function of the enzyme because of its role in orienting and interacting with the substrate molecule. Investigation of the nature of the hemes via absorption spectroscopy of the unmodified catalase proteins and their derived pyridine hemochromes showed that while the bovine and Saccharomyces cerevisiae catalase enzymes are protoheme-containing, the HPII wild type protein contains heme d, and the mutant proteins contain either solely protoheme, or heme d-protoheme mixtures. Cyanide binding studies supported this, as ligand binding was monophasic for the bovine, Saccharomyces cerevisiae, and wild type HPII enzymes, but biphasic for several of the HPII mutant proteins. Several mammalian catalases, and at least two prokaryotic catalases, are known to be NADPH binding. The function of this cofactor appears to be the prevention of inactivation of the enzyme, which occurs via formation of the inactive secondary catalase peroxide compound (compound II). No physiologically plausible scheme has yet been proposed for the NADPH mediation of catalase activity. This study has shown, via fluorescence and affinity chromatography techniques, that NADPH binds to the T (Typical) and A (Atypical) catalases of Saccharomyces cerevisiae, and that wild type HPII apparently does not bind NADPH. This study has also shown that NADPH is unlike any other hydrogen donor to catalase, and addresses its features as a unique donor by proposing a mechanism whereby NADPH is oxidized and catalase is protected from inactivation via the formation of protein radical species. Migration of this radical to a position close to the NADPH is also proposed as an adjunct hypothesis, based on similar electron migrations that are known to occur within metmyoglobin and cytochrome c peroxidase when reacted with H202. Validation of these hypotheses may be obtained in appropriate future experiments.

Modulation of muscle contraction by a FMRFamide-related peptide

A FMRFamide-like neuropeptide with the sequence "DRNFLRF-NH2" was recently isolated from pericardial organs of crayfish (Mercier et aI., Peptides, 14, 137-143, 1993). This neuropeptide, referred to as "DF2'" has already been shown to elicit cardioexcitation and to enhance synaptic transmission at neuromuscular junctions. Possible effects ofDF2 on muscle were investigated using superficial extensor muscles of the abdomen of the crayfish, Procambarus clar/ai. These muscles are of the tonic type and generate slow contractions that affect posture. DF2, at concentrations of 10-8 M or higher, increased muscle tonus and induced spontaneous, rhythmic contractions. These effects were antagonized by 5 rnM Mn2+ but not by lO-7M tetrodotoxin (TTX). Thus, they represent direct actions on muscle cells (rather than effects on motor neurons) and are likely to involve calcium influx. In contrast, deep abdominal extensor muscles, responsible for rapid swimming movements, and superficial flexor muscles do not generate contractions in response to the peptide. 2 Spontaneous contractions were also induced in the superficial extensor muscles by decreasing the temperature to II-13°C. Such contractions were also TTX-insensitive and they were antagonized by adding calcium channel blockers (Mn2+, Cd2+ or Ni2+) or by removing calcium from the bathing solution. This suggests that the spontaneous contractions depend on an influx of calcium from the extracellular solution. N-type and L-type voltage dependent calcium channel blockers did not reduce the effect of the peptide or the spontaneous contractions suggesting that calcium influx is not through N- or L-type calcium channels.

The effects of the menstrual cycle and hormonal contraceptives on the central thermoeffector threshold temperatures and width of the interthreshold zone

Basal body temperature (BBT) and thermoeffector thresholds increase following ovulation in many women. This study investigated if solely central thermoregulatory alterations are responsible. Seven females in a non-contraceptive group (NCG) were compared with 5 monophasic contraceptive users (HCG) on separate accounts: pre-ovulation (Trial I; d 2-5) and post-ovulation (Trial 2; 4-8 d post-positive ovulation) for NCG, and active phase for HCG (d 2-5, d 18-21). During immersion in 28°C water to the axilla, participants exercised for 20-30 min on an underwater ergometer. After steadily sweating, immersion continued until metabolism increased two-fold due to shivering. Rectal (Tre) BBT was not different between trials for neither NCG (1: 37.34±0.16°C; 2: 37.35±0.27°C) nor HCG. At exercise termination, Tre forehead sweating cessation increased (P<0.05) in trial 2 irrespective of group (1: 37.55±0.39°C; 2: 37.90±0,46°C). Tre shivering onset did not increase (P>0.05) in trial 2 (1: 36.91±0.50°C; 2: 37.07±0,45°C). The widths of the interthreshold zone increased (P<0.05) in trial 2 (1: 0.64±0.22°C; 2: 0.82±0.37°C) due to the increased sweating threshold only. HCG cooled quicker (1: -l.15±0,43°C; 2: -1.00±0.50°C) than NCG participants (1: - 0.58±0.22°C; 2: -0.52±O.29°C), and tympanic (Tty) sweat thresholds were significantly (P<0.05) decreased (1: 34.76±0.54°C; 2: 35.39±0.61°C) versus NCG (l: 35.57±0.77°C; 2: 35.89±1.04°C). Lastly, Tre and Tty thresholds were significantly different (P

The effects of an acute bout of whole-body vibration on pulse wave velocity in individuals with SCI

Cardiovascular disease is a leading cause of mortality in the spinal cord injured (SCI) population. Reduced arterial compliance is a cardiovascular risk factor and whole body vibration (WBV) has be en shown to improve arterial compliance in able-bodied individuals. The study investigated the effect of an acute session ofWBV on arterial compliance as measured by pulse wave velocity (PWV). On separate days, arm, leg and aortic PWV were measured pre- and post- a 45 minute session of passive stance (PS) and WBV. The WBV was intermittent with a set frequency of 45Hz and amplitude of O.6mm. There was no condition by time effect when comparing PWV after WBV and PS. Following WBV, aortic (928.6±127.7 vs. 901.1±96.6cm/sec), leg (1035.2±113.8 vs.l099.8±114.2cm/sec) and arm PWV (1118.9±119.8 vs. 1181.1±124.4cm/s) did not change. As such, WBV did not reduce arterial compliance, however future research with protocol modifications is recommended.

Mechanisms of long-term modulation of synaptic transmission in crayfish

Please consult the paper edition of this thesis to read. It is available on the 5th Floor of the Library at Call Number: Z 9999 B56 M68 2007

Cell-selective modulation of the Drosophila neuromuscular system by a neuropeptide

Neuropeptides can modulate physiological properties of neurons in a cell-specific manner. The present work examines whether a neuropeptide can also modulate muscle tissue in a cell-specific manner, using identified muscle cells in third instar larvae of fruit flies. DPKQDFMRFa, a modulatory peptide in the fruit fly Drosophila melanogaster, has been shown to enhance transmitter release from motor neurons and to elicit contractions by a direct effect on muscle cells. We report that DPKQDFMRFa causes a nifedipine-sensitive drop in input resistance in some muscle cells (6 and 7) but not others (12 and 13). The peptide also increased the amplitude of nerve-evoked contractions and compound excitatory junctional potentials (EJPs) to a greater degree in muscle cells 6 and 7 than 12 and 13. Knocking down FMRFa receptor (FR) expression separately in nerve and muscle indicate that both presynaptic and postsynaptic FR expression contributed to the enhanced contractions, but EJP enhancement was due mainly to presynaptic expression. Muscle-ablation showed that DPKQDFMRFa induced contractions and enhanced nerve-evoked contractions more strongly in muscle cells 6 and 7 than cells 12 and 13. In situ hybridization indicated that FR expression was significantly greater in muscle cells 6 and 7 than 12 and 13. Taken together, these results indicate that DPKQDFMRFa can elicit cell-selective effects on muscle fibres. The ability of neuropeptides to work in a cell-selective manner on neurons and muscle cells may help explain why so many peptides are encoded in invertebrate and vertebrate genomes.

Cell-selective modulation of the neuromuscular system in Drosophila

The capacity for all living cells to sense and interact with their environment is a necessity for life. In highly evolved, eukaryotic species, like humans, signalling mechanisms are necessary to regulate the function and survival of all cells in the organism. Synchronizing systemic signalling systems at the cellular, organ and whole-organism level is a formidable task, and for most species requires a large number of signalling molecules and their receptors. One of the major types of signalling molecules used throughout the animal kingdom are modulatory substances (e.x. hormones and peptides). Modulators can act as chemical transmitters, facilitating communication at chemical synapses. There are hundreds of circulating modulators within the mammalian system, but the reason for so many remains a mystery. Recent work with the fruit fly, Drosophila melanogaster demonstrated the capacity for peptides to modulate synaptic transmission in a neuron-specific manner, suggesting that peptides are not simply redundant, but rather may have highly specific roles. Thus, the diversity of peptides may reflect cell-specific functions. The main objective of my doctoral thesis was to examine the extent to which neuromodulator substances and their receptors modulate synaptic transmission at a cell-specific level using D. melanogaster. Using three different modulatory substances, i) octopamine - a biogenic amine released from motor neuron terminals, ii) DPKQDFMRFa - a neuropeptide secreted into circulation, and iii) Proctolin - a pentapeptide released both from motor neuron terminals and into circulation, I was able to investigate not only the capacity of these various substances to work in a cell-selective manner, but also examine the different mechanisms of action and how modulatory substances work in concert to execute systemic functionality . The results support the idea that modulatory substances act in a circuit-selective manner in the central nervous system and in the periphery in order to coordinate and synchronize physiologically and behaviourally relevant outputs. The findings contribute as to why the nervous system encodes so many modulatory substances.

Modulation of epithelial sodium channel (ENaC) expression in mouse lung infected with Pseudomonas aeruginosa

Affiliation: André Dagenais: Centre hospitalier de l'Université de Montréal/ Hôtel-Dieu, Département de médecine, Université de Montréal. Yves Berthiaume: Médecine et spécialités médicales, Faculté de médecine

Modulation de l’expression du gène CFTR par le produit du gène FIC1 responsable de la cholestase familiale intra-hépatique progressive de type 1 : Identification des mécanismes moléculaires impliqués

Réalisé en cotutelle avec l'Université de Cergy-Pontoise

Anatomo-functional magnetic resonance imaging of the spinal cord and its application to the characterization of spinal lesions in cats

Les lésions de la moelle épinière ont un impact significatif sur la qualité de la vie car elles peuvent induire des déficits moteurs (paralysie) et sensoriels. Ces déficits évoluent dans le temps à mesure que le système nerveux central se réorganise, en impliquant des mécanismes physiologiques et neurochimiques encore mal connus. L'ampleur de ces déficits ainsi que le processus de réhabilitation dépendent fortement des voies anatomiques qui ont été altérées dans la moelle épinière. Il est donc crucial de pouvoir attester l'intégrité de la matière blanche après une lésion spinale et évaluer quantitativement l'état fonctionnel des neurones spinaux. Un grand intérêt de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est qu'elle permet d'imager de façon non invasive les propriétés fonctionnelles et anatomiques du système nerveux central. Le premier objectif de ce projet de thèse a été de développer l'IRM de diffusion afin d'évaluer l'intégrité des axones de la matière blanche après une lésion médullaire. Le deuxième objectif a été d'évaluer dans quelle mesure l'IRM fonctionnelle permet de mesurer l'activité des neurones de la moelle épinière. Bien que largement appliquées au cerveau, l'IRM de diffusion et l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière sont plus problématiques. Les difficultés associées à l'IRM de la moelle épinière relèvent de sa fine géométrie (environ 1 cm de diamètre chez l'humain), de la présence de mouvements d'origine physiologique (cardiaques et respiratoires) et de la présence d'artefacts de susceptibilité magnétique induits par les inhomogénéités de champ, notamment au niveau des disques intervertébraux et des poumons. L'objectif principal de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant de contourner ces difficultés. Ce développement a notamment reposé sur l'optimisation des paramètres d'acquisition d'images anatomiques, d'images pondérées en diffusion et de données fonctionnelles chez le chat et chez l'humain sur un IRM à 3 Tesla. En outre, diverses stratégies ont été étudiées afin de corriger les distorsions d'images induites par les artefacts de susceptibilité magnétique, et une étude a été menée sur la sensibilité et la spécificité de l'IRM fonctionnelle de la moelle épinière. Les résultats de ces études démontrent la faisabilité d'acquérir des images pondérées en diffusion de haute qualité, et d'évaluer l'intégrité de voies spinales spécifiques après lésion complète et partielle. De plus, l'activité des neurones spinaux a pu être détectée par IRM fonctionnelle chez des chats anesthésiés. Bien qu'encourageants, ces résultats mettent en lumière la nécessité de développer davantage ces nouvelles techniques. L'existence d'un outil de neuroimagerie fiable et robuste, capable de confirmer les paramètres cliniques, permettrait d'améliorer le diagnostic et le pronostic chez les patients atteints de lésions médullaires. Un des enjeux majeurs serait de suivre et de valider l'effet de diverses stratégies thérapeutiques. De telles outils représentent un espoir immense pour nombre de personnes souffrant de traumatismes et de maladies neurodégénératives telles que les lésions de la moelle épinière, les tumeurs spinales, la sclérose en plaques et la sclérose latérale amyotrophique.

Modulation différentielle par la privation de sommeil des processus attentionnels frontaux et pariétaux: une étude de potentiels évoqués cognitifs

L’objectif de la présente étude visait à évaluer les effets différentiels de la privation de sommeil (PS) sur le fonctionnement cognitif sous-tendu par les substrats cérébraux distincts, impliqués dans le réseau fronto-pariétal attentionnel, lors de l’administration d’une tâche simple et de courte durée. Les potentiels évoqués cognitifs, avec sites d’enregistrement multiples, ont été prévilégiés afin d’apprécier les effets de la PS sur l’activité cognitive rapide et ses corrélats topographiques. Le matin suivant une PS totale d’une durée de 24 heures et suivant une nuit de sommeil normale, vingt participants ont exécuté une tâche oddball visuelle à 3 stimuli. L’amplitude et la latence ont été analysées pour la P200 et la N200 à titre d’indices frontaux, tandis que la P300 a été analysée, à titre de composante à contribution à la fois frontale et pariétale. Suite à la PS, une augmentation non spécifique de l’amplitude de la P200 frontale à l’hémisphère gauche, ainsi qu’une perte de latéralisation spécifique à la présentation des stimuli cibles, ont été observées. À l’opposé, l’amplitude de la P300 était réduite de façon prédominante dans la région pariétale pour les stimuli cibles. Enfin, un délai de latence non spécifique pour la N200 et la P300, ainsi qu’une atteinte de la performance (temps de réaction ralentis et nombre d’erreurs plus élevé) ont également été objectivées. Les résultats confirment qu’une PS de durée modérée entraîne une altération des processus attentionnels pouvant être objectivée à la fois par les mesures comportementales et électrophysiologiques. Ces modifications sont présentes à toutes les étapes de traitement, tel que démontré par les effets touchant la P200, la N200 et la P300. Qui plus est, la PS affecte différemment les composantes à prédominance frontale et pariétale.

Les mécanismes endogènes de modulation de la douleur et leur dysfonction dans le syndrome de l'intestin irritable

La douleur est une expérience subjective multidimensionnelle accompagnée de réponses physiologiques. Ces dernières sont régulées par des processus cérébraux qui jouent un rôle important dans la modulation spinale et cérébrale de la douleur. Cependant, les mécanismes de cette régulation sont encore mal définis et il est essentiel de bien les comprendre pour mieux traiter la douleur. Les quatre études de cette thèse avaient donc comme objectif de préciser les mécanismes endogènes de modulation de la douleur par la contreirritation (inhibition de la douleur par une autre douleur) et d’investiguer la dysfonction de ces mécanismes chez des femmes souffrant du syndrome de l’intestin irritable (Sii). Dans un premier temps, un modèle expérimental a été développé pour mesurer l’activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle concurremment à l’enregistrement du réflexe nociceptif de flexion (RIII : index de nociception spinale) et des réponses de conductance électrodermale (SCR : index d’activation sympathique) évoqués par des stimulations électriques douloureuses. La première étude indique que les différences individuelles d’activité cérébrale évoquée par les stimulations électriques dans les cortex orbitofrontal (OFC) et cingulaire sont associées aux différences individuelles de sensibilité à la douleur, de réactivité motrice (RIII) et de réactivité autonomique (SCR) chez des sujets sains. La deuxième étude montre que l’analgésie par contreirritation produite chez des sujets sains est accompagnée de l’inhibition de l’amygdale par OFC et d’une modulation du réflexe RIII par la substance grise périaqueducale (PAG) et le cortex somesthésique primaire (SI). Dans les troisième et quatrième études, il est montré que la contreirritation ne produit pas d’inhibition significative de la douleur et du réflexe RIII chez les patientes Sii en comparaison aux contrôles. De plus, les résultats indiquent que la sévérité des symptômes psychologiques est associée au déficit de modulation de la douleur et à une hypersensibilité diffuse chez les patientes Sii. Dans l’ensemble, cette thèse précise le rôle de certaines structures cérébrales dans les multiples composantes de la douleur et dans l’analgésie par contreirritation et montre que les patientes Sii présentent une dysfonction des mécanismes spinaux et cérébraux impliqués dans la perception et la modulation de la douleur.

Modulation du cytochrome P450 dans un modèle murin d'insuffisance rénale chronique

Introduction : Les modèles murins sont grandement utilisés dans l’étude des maladies rénales et des pathologies associées. La concentration de la créatinine sérique est un bon indicateur de la filtration glomérulaire et en présence d’insuffisance rénale chronique (IRC), les concentrations de créatinine sérique (et la clairance) reflètent la sévérité de l’IRC. De plus, il a été démontré que l’IRC modifie le métabolisme des médicaments en diminuant l’activité et l’expression des enzymes hépatiques du cytochrome P450 (CYP450). Afin d’étudier la modulation du P450 par l’IRC avec un modèle murin et de confirmer nos résultats chez le rat, nous devons 1) développer un modèle d’IRC chez la souris, 2) mettre au point une technique de dosage des marqueurs de l’IRC et, 3) évaluer l’expression protéique du CYP450 en présence IRC. Matériel et Méthode : Trois modèles chirurgicaux d’IRC chez la souris ont été développés. Une méthode du dosage de la créatinine par chromatographie liquide à haute performance (CLHP) a été mise au point chez la souris et l’expression protéique du P450 a été mesurée par immunobuvardage de type Western. Résultats : Plusieurs paramètres de CLHP comme le pH, la concentration et le débit de la phase mobile modifient le pic d’élution et le temps de rétention de la créatinine. Concernant le modèle expérimental, on observe une perte de poids et une augmentation de la concentration plasmatique de la créatinine chez les souris avec une IRC. De plus, l’expression protéique de plusieurs isoformes du cytochrome P450 est modulée par l’IRC. Nous observons une diminution du CYP 2D de 42% (p < 0,01), du CYP 3A11 de 60% et du CYP 1A de 37% (p <0,01) par rapport aux souris témoins. On ne dénote aucun changement significatif au niveau de l’isoforme 2E1. Conclusion : Il est possible d’induire une insuffisance rénale chronique chez la souris suite à une néphrectomie. La technique de dosage de la créatinine par CLHP est précise et exacte et permet de caractériser la sévérité de l’IRC chez la souris. L’expression protéique du CYP450 est régulée à la baisse dans le foie des souris atteintes d’IRC.