Mode of action of a Drosophila FMRFamide in inducing muscle contraction

Drosophila melanogaster is a model system for examining the mechanisms of action of neuropeptides. DPKQDFMRFamide was previously shown to induce contractions in Drosophila body wall muscle fibres in a Ca(2+)-dependent manner. The present study examined the possible involvement of a G-protein-coupled receptor and second messengers in mediating this myotropic effect after removal of the central nervous system. DPKQDFMRFamide-induced contractions were reduced by 70% and 90%, respectively, in larvae with reduced expression of the Drosophila Fmrf receptor (FR) either ubiquitously or specifically in muscle tissue, compared with the response in control larvae in which expression was not manipulated. No such effect occurred in larvae with reduced expression of this gene only in neurons. The myogenic effects of DPKQDFMRFamide do not appear to be mediated through either of the two Drosophila myosuppressin receptors (DmsR-1 and DmsR-2). DPKQDFMRFamide-induced contractions were not reduced in Ala1 transgenic flies lacking activity of calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CamKII), and were not affected by the CaMKII inhibitor KN-93. Peptide-induced contractions in the mutants of the phospholipase C-β (PLCβ) gene (norpA larvae) and in IP3 receptor mutants were similar to contractions elicited in control larvae. The peptide failed to increase cAMP and cGMP levels in Drosophila body wall muscles. Peptide-induced contractions were not potentiated by 3-isobutyl-1-methylxanthine, a phosphodiesterase inhibitor, and were not antagonized by inhibitors of cAMP-dependent or cGMP-dependent protein kinases. Additionally, exogenous application of arachidonic acid failed to induce myogenic contractions. Thus, DPKQDFMRFamide induces contractions via a G-protein coupled FMRFamide receptor in muscle cells but does not appear to act via cAMP, cGMP, IP3, PLC, CaMKII or arachidonic acid.

Higher PLIN5 but not PLIN3 content in isolated skeletal muscle mitochondria following acute in vivo contraction in rat hindlimb

Contraction-mediated lipolysis increases the association of lipid droplets and mitochondria, indicating an important role in the passage of fatty acids from lipid droplets to mitochondria in skeletal muscle. PLIN3 and PLIN5 are of particular interest to the lipid droplet–mitochondria interaction because PLIN3 is able to move about within cells and PLIN5 associates with skeletal muscle mitochondria. This study primarily investigated: 1) if PLIN3 is detected in skeletal muscle mitochondrial fraction; and 2) if mitochondrial protein content of PLIN3 and/or PLIN5 changes following stimulated contraction. A secondary aim was to determine if PLIN3 and PLIN5 associate and whether this changes following contraction. Male Long Evans rats (n = 21;age, 52 days; weight = 317 6 g) underwent 30 min of hindlimb stimulation (10 msec impulses, 100 Hz/3 sec at 10–20 V; train duration 100 msec). Contraction induced a ~50% reduction in intramuscular lipid content measured by oil red-O staining of red gastrocnemius muscle. Mitochondria were isolated from red gastrocnemius muscle by differential centrifugation and proteins were detected by western blotting. Mitochondrial PLIN5 content was ~1.6-fold higher following 30 min of contraction and PLIN3 content was detected in the mitochondrial fraction, and unchanged following contraction. An association between PLIN3 and PLIN5 was observed and remained unaltered following contraction. PLIN5 may play a role in mitochondria during lipolysis, which is consistent with a role in facilitating/regulating mitochondrial fatty acid oxidation. PLIN3 and PLIN5 may be working together on the lipid droplet and mitochondria during contraction-induced lipolysis.

Investigation of the Time Dependent Influence of Extracellular Osmotic Stress on Protein Turnover in Skeletal Muscle Cells

Acute alterations in cell volume can substantively modulate subsequent metabolism of substrates. However, how such alterations in skeletal muscle modulate protein metabolism is limited. The purpose of this study was to determine the time dependent influence of extracellular osmotic stress on protein turnover in skeletal muscle cells. L6 cells were incubated in hyperosmotic (HYPER; 425.3 ± 1.8mmol/kg), hypo-osmotic (HYPO; 235.4 ± 1.0mmol/kg) or control (CON; 333.5 ± 1.4mmol/kg) media for 4, 8, 12, or 24hrs. During the final 4hrs, incorporation of L-[ring-3,5-3H]-tyrosine was measured to estimate protein synthesis. Western blotting measured markers of protein synthesis and degradation. No differences were observed in any outcomes except p70S6K phosphorylation whereby HYPO was lower (p<0.05) than CON and HYPER; which remained similar except for a large increase at 8hrs for HYPER. These findings suggest that regardless of duration, extracellular osmotic stress does not significantly affect protein metabolism in L6 cells.

Myosin Regulatory Light Chain Phosphorylation and Its Effect on the Contractile Economy of Mouse Fast Muscle

Activated by elevations in myoplasmic calcium concentration, myosin light chain kinase (skMLCK) phosphorylates the regulatory light chains (RLCs) of fast muscle myosin. This covalent modification potentiates force production, but requires an investment of ATP. Our objective was to investigate the effect of RLC phosphorylation on the contractile economy (mechanical output:metabolic input) of fast twitch skeletal muscle. Extensor digitorum longus muscles isolated from Wildtype and skMLCK-/- mice mounted in vitro (25°C) were subjected to repetitive low-frequency stimulation (10Hz,15s) known to cause activation of skMLCK, and staircase potentiation of force. With a 3-fold increase in RLC phosphate content, Wildtype generated 44% more force than skMLCK-/- muscles over the stimulation period (P = .002), without an accompanied increase in energy cost (P = .449). Overall, the contractile economy of Wildtype muscles, with an intact RLC phosphorylation mechanism, was 73% greater than skMLCK /- muscles (P = .043), demonstrating an important physiological function of skMLCK during repetitive contractile activity.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

The Role of Membrane Lipid Composition on Skeletal Muscle Damage in the Rodent Model of Duchenne Muscular Dystrophy

Duchenne muscular dystrophy is a X-linked muscle disease, which leads to alterations in membrane phospholipid fatty acid (FA) composition and skeletal muscle damage. Increased membrane saturated FA in muscular dystrophy may suggest its association with increased susceptibility (as being the cause or consequence) to muscle damage. It was hypothesised that increased saturation is positively correlated to increased muscle damage. Correlations were hypothesized to be greater in extensor digitorum longus (EDL) at 20 weeks compared to soleus (SOL) at 10 weeks in dystrophin deficient (mdx) mice. Increased saturation was correlated to damage in EDL at both 10 and 20 weeks, with stronger correlations at 10 weeks. The results suggest that membrane PL FA composition may be associated with damage through two possible means. Increased saturation may be a cause or consequence of membrane damage. Association of membrane composition with eccentric induced damage has underscored the importance of saturated PL FA compositions in damage to dystrophic myofibres.

Force potentiation as a modulator of contractile performance: Implications for control of skeletal muscle force and energetics of work

This thesis investigated the modulation of dynamic contractile function and energetics of work by posttetanic potentiation (PTP). Mechanical experiments were conducted in vitro using software-controlled protocols to stimulate/determine contractile function during ramp shortening, and muscles were frozen during parallel incubations for biochemical analysis. The central feature of this research was the comparison of fast hindlimb muscles from wildtype and skeletal myosin light chain kinase knockout (skMLCK-/-) mice that does not express the primary mechanism for PTP: myosin regulatory light chain (RLC) phosphorylation. In contrast to smooth/cardiac muscles where RLC phosphorylation is indispensable, its precise physiological role in skeletal muscle is unclear. It was initially determined that tetanic potentiation was shortening speed dependent, and this sensitivity of the PTP mechanism to muscle shortening extended the stimulation frequency domain over which PTP was manifest. Thus, the physiological utility of RLC phosphorylation to augment contractile function in vivo may be more extensive than previously considered. Subsequent experiments studied the contraction-type dependence for PTP and demonstrated that the enhancement of contractile function was dependent on force level. Surprisingly, in the absence of RLC phosphorylation, skMLCK-/- muscles exhibited significant concentric PTP; consequently, up to ~50% of the dynamic PTP response in wildtype muscle may be attributed to an alternate mechanism. When the interaction of PTP and the catchlike property (CLP) was examined, we determined that unlike the acute augmentation of peak force by the CLP, RLC phosphorylation produced a longer-lasting enhancement of force and work in the potentiated state. Nevertheless, despite the apparent interference between these mechanisms, both offer physiological utility and may be complementary in achieving optimal contractile function in vivo. Finally, when the energetic implications of PTP were explored, we determined that during a brief period of repetitive concentric activation, total work performed was ~60% greater in wildtype vs. skMLCK-/- muscles but there was no genotype difference in High-Energy Phosphate Consumption or Economy (i.e. HEPC: work). In summary, this thesis provides novel insight into the modulatory effects of PTP and RLC phosphorylation, and through the observation of alternative mechanisms for PTP we further develop our understanding of the history-dependence of fast skeletal muscle function.

The Influence of Cerebral Blood Flow and Carbon Dioxide on Neuromuscular Responses During Environmental Stress

Although reductions in cerebral blood flow (CBF) may be implicated in the development of central fatigue during environmental stress, the contribution from hypocapnia-induced reductions in CBF versus reductions in CBF per se has yet to be isolated. The current research program examined the influence of CBF, with and without consequent hypocapnia, on neuromuscular responses during hypoxia and passive heat stress. To this end, neuromuscular responses, as indicated by motor evoked potentials (MEP), maximal M-wave (Mmax) and cortical voluntary activation (cVA) of the flexor carpi radialis muscle during isometric wrist flexion, was assessed in three separate projects: 1) hypocapnia, independent of concomitant reductions in CBF; 2) altered CBF during severe hypoxia and; 3) thermal hyperpnea-mediated reductions in CBF, independent of hypocapnia. All projects employed a custom-built dynamic end-tidal forcing system to control end-tidal PCO2 (PETCO2), independent of the prevailing environmental conditions, and cyclooxygenase inhibition using indomethacin (Indomethacin, 1.2 mg·Kg-1) to selectively reduce CBF (estimated using transcranial Doppler ultrasound) without changes in PETCO2. A primary finding of the present research program is that the excitability of the corticospinal tract is inherently sensitive to changes in PaCO2, as demonstrated by a 12% increase in MEP amplitude in response to moderate hypocapnia. Conversely, CBF mediated reductions in cerebral O2 delivery appear to decrease corticospinal excitability, as indicated by a 51-64% and 4% decrease in MEP amplitude in response to hypoxia and passive heat stress, respectively. The collective evidence from this research program suggests that impaired voluntary activation is associated with reductions in CBF; however, it must be noted that changes in cVA were not linearly correlated with changes in CBF. Therefore, other factors independent of CBF, such as increased perception of effort, distress or discomfort, may have contributed to the reductions in cVA. Despite the functional association between reductions in CBF and hypocapnia, both variables have distinct and independent influence on the neuromuscular system. Therefore, future studies should control or acknowledge the separate mechanistic influence of these two factors.

INFLUENCE OF INCREASED EXTRACELLULAR LEUCINE ON THE PROTEIN METABOLIC RESPONSES DURING OSMOTIC STRESS IN SKELETAL MUSCLE

The purpose of this study was to examine the effects of increased extracellular leucine concentration on protein metabolism in skeletal muscle cells when exposed to 3 different osmotic stresses. L6 skeletal muscle cells were incubated in either a normal or supplemental leucine (1.5mM) medium set to hypo-osmotic (230 ± 10 Osm), iso-osmotic (330 ± 10 Osm) or hyper-osmotic (440 ± 10 Osm) conditions. 3H-tyrosine was used to quantify protein synthesis. Western blotting analysis was performed to determine the activation of mTOR, p70S6k, ubiquitin, actin, and μ-calpain. Hypo-osmotic stress resulted in the greatest increase in protein synthesis rate under the normal-leucine condition while iso-osmotic stress has the greatest increase under the elevated-leucine condition. Elevated-leucine condition had a decreased rate in protein degradation over the normal condition within the ubiquitin proteasome pathway (p<0.05). Leucine and hypo-osmotic stress therefore creates a favourable environment for anabolic events to occur.

Effects of Plyometric and Resistance Training on Muscle Strength and Neuromuscular Function in Young Adolescent Soccer Players

This study examined the effect of 8-weeks of resistance (RT) and plyometric (PLYO) training on maximal strength, power and jump performance compared with no added training (CON), in young male soccer players. Forty-one 11-13 year-old soccer players were divided into three groups (RT, PLYO, CON). All participants completed 5 isometric knee extensions at 90° and 5 isokinetic knee extensions at 240°/s pre- and post-training. Peak torque (PT), peak rate of torque development (pRTD), electromechanical-day (EMD), rate of muscle activation (Q30), muscle cross-sectional area (mCSA) and jump performance were examined. Both RT and PLYO resulted in significant (p < 0.05) increases in PT, pRTD and jump performance. RT resulted in significantly greater increases in both isometric and isokinetic PT, while PLYO resulted in significantly greater increases in isometric pRTD and jump performance compared with CON (p < 0.05). Q30 increased to a greater extent in PLYO (20%) compared with RT (5%) and CON (-5%) (p = 0.1). In conclusion, 8-weeks of RT and PLYO resulted in significant improvements in muscle strength and jump performance. RT appears to be more effective at eliciting increases in maximal strength while PLYO appears to enhance explosive strength, mediated by possible increases in the rate of muscle activation.

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.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Rôle du monoxyde d'azote dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle dans un modèle d'hypertension systolique isolée

L’hypertension systolique isolée (HSI) est le résultat de changements au niveau de la paroi vasculaire qui ont pour conséquence d’augmenter la rigidité artérielle. Ces modifications surviennent surtout au niveau des grosses artères comme l’aorte et sont associées au vieillissement. La fragmentation des fibres élastiques, leur calcification (élastocalcinose) et la fibrose font partie des changements majeurs observés avec l’âge. En plus de ces changements, le vieillissement vasculaire provoque des modifications au niveau des cellules qui composent la paroi. Les cellules endothéliales sécrètent moins de monoxyde d’azote (NO) provoquant une dysfonction endothéliale et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) synthétisent maintenant des protéines matricielles et osseuses. Situé entre le sang et les CMLVs, l’endothélium contrôle le tonus vasculaire par la sécrétion de plusieurs substances vasoactives qui interagissent entre elles afin de maintenir l’homéostasie du système vasculaire. Parmi celles-ci, on note l’endothéline (ET), un puissant vasoconstricteur et le NO, un gaz vasorelaxants. Ce dernier est aussi reconnu pour bloquer la production d’ET par un mécanisme dépendant du guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Comme il y a une interaction entre le NO et l’ET, et que cette dernière est impliquée dans la calcification artérielle, le NO pourrait être impliqué dans la modulation de l’élastocalcinose et de la rigidité artérielle par l’inhibition de l’ET et la modification de la composition de la paroi. Cet effet, qui se produirait au delà des effets vasorelaxants du NO, offre un potentiel thérapeutique intéressant pour l’HSI. Afin d’évaluer l’implication du NO dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle, un modèle animal d’HSI a été utilisé (modèle warfarine vitamine K, WVK). Ce modèle d’élastocalcinose est basé sur l’inhibition de la maturation d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein (MGP), par la warfarine. Afin de déterminer l’implication physiologique du NO dans l’initiation et la progression de l’élastocalcinose, sa production a été inhibée par un analogue de la L-arginine, le L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME). Lors des processus d’initiation de la calcification, le L-NAME a prévenu l’élastocalcinose sans toutefois modifier la vitesse de l’onde de pouls (PWV). Suite au traitement L-NAME, l’expression de la NO synthase inductible (iNOS) a été diminuée alors qu’elle a été augmentée lors du traitement WVK. Elle pourrait donc être impliquée dans les processus de calcification vasculaire. De plus, la NO synthase endothéliale (eNOS) semble également impliquée puisqu’elle a été augmentée dans le modèle WVK. Cette hausse pourrait être bénéfique pour limiter l’élastocalcinose alors que l’expression de la iNOS serait délétère. Lors de la progression de la calcification, le L-NAME a augmenté l’élastocalcinose et le PWV. Dans ce contexte, l’ET serait impliquée dans l’amplification de la calcification vasculaire entrainant une hausse de la rigidité artérielle. Comme le NO endogène limite la progression de la calcification et conséquemment la rigidité artérielle, il semble être protecteur. L’efficacité d’une modulation de la voie du NO dans le modèle WVK a été étudiée par l’administration d’un donneur de NO, le sinitrodil, ou d’un inhibiteur de la phosphosdiestérase 5 (PDE5), le tadalafil. La modulation de la voie du NO semble être bénéfique sur la rigidité artérielle, mais seulement de façon aiguë. En effet, le sinitrodil a modifié de transitoirement la rigidité au niveau de l’aorte possiblement par la modulation du tonus vasculaire sans toutefois avoir des effets sur la composition de la paroi. Comme le modèle WVK n’affecte pas la fonction endothéliale, les concentrations endogènes de NO semblent être optimales puisque le sinitrodil provoque une augmentation de l’élastocalcinose possiblement par le développement d’une tolérance. Tout comme le sinitrodil, le tadalafil a modulé de manière aiguë la rigidité artérielle sans modifier la composition de la paroi. Globalement, ces travaux ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques du NO endogène pour limiter le développement de l’HSI, suggérant qu’une dysfonction endothéliale, tel qu’observé lors du vieillissement, a un impact négatif sur la maladie.

Études du remodelage vasculaire utérin durant la grossesse : caractérisation du rôle de l’œstrogène et de son action vasorelaxante

La grossesse est un état physiologique particulier où de nombreux changements fonctionnels et structuraux surviennent. Chez la rate, pour répondre aux besoins grandissants du fœtus, l’artère utérine se développe pour atteindre le double de son diamètre original avant parturition. Par conséquent, le débit sanguin utérin augmente d’environ vingt fois. Pour ce faire, les vaisseaux utérins sont l’objet d’un remodelage caractérisé par une hypertrophie et une hyperplasie des différentes composantes de la paroi. De plus, ce remodelage est complètement réversible après la parturition, par opposition au remodelage vasculaire « pathologique » qui affecte les artères systémiques, dans l’hypertension chronique, par exemple. La grossesse s’accompagne aussi de modifications hormonales importantes, comme les œstrogènes dont la concentration s’accroît progressivement au cours de cette période. Elle atteindra une concentration trois cents fois plus élevée avant terme que chez une femme non gravide. Cette hormone possède de multiples fonctions, ainsi qu’un mode d’action à la fois génomique et non génomique. Considérant l’ensemble de ces éléments, nous avons formulé l’hypothèse que l’œstradiol serait responsable de modifier la circulation utérine durant la grossesse, par son action vasorelaxante, mais aussi en influençant le remodelage de la vasculature utérine. Nous avons montré que le 17β-Estradiol (17β-E2) produit une relaxation due à un effet non génomique des artères utérines en agissant directement sur le muscle lisse par un mécanisme indépendant du monoxyde d’azote et des récepteurs classiques aux œstrogènes (ERα, ERβ). De plus, la relaxation induite par le 17β-E2 dans l’artère utérine durant la gestation est réduite par rapport à celle des artères des rates non gestantes. Ceci serait attribuable à une diminution de monoxyde d’azote provenant de la synthase de NO neuronale dans les muscles lisses des artères utérines. Nos résultats démontrent que le récepteur à l’œstrogène couplé aux protéines G (GPER), la protéine kinase A (PKA) et la protéine kinase G (PKG) ne sont pas impliqués dans la signalisation intracellulaire associée à l’effet vasorelaxant induit par le 17β-E2. Cependant, nous avons montré une implication probable des canaux potassiques sensibles au voltage, ainsi qu’un rôle possible des canaux potassiques de grande conductance activés par le potentiel et le calcium (BKCa). En effet, le penitrem A, un antagoniste présumé des canaux potassiques à grande conductance, réduit la réponse vasoralaxante du 17β-E2. Toutefois, une autre action du penitrem A n’est pas exclue, car l’ibériotoxine, reconnue pour inhiber les mêmes canaux, n’a pas d’effet sur cette relaxation. Quoi qu’il en soit, d’autres études sont nécessaires pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la relaxation non génomique sur le muscle lisse des artères utérines. Quant à l’implication de l’œstrogène sur le remodelage des artères utérines durant la gestation, nous avons tenté d’inhiber la synthèse d’œstrogènes durant la gestation en utilisant un inhibiteur de l’aromatase. Plusieurs paramètres ont été évalués (paramètres sanguins, réactivité vasculaire, pression artérielle) sans changements significatifs entre le groupe contrôle et celui traité avec l’inhibiteur. Le même constat a été fait pour le dosage plasmatique de l’œstradiol, ce qui suggère l’inefficacité du blocage de l’aromatase dans ces expériences. Ainsi, notre protocole expérimental n’a pas réussi à inhiber la synthèse d’œstrogène durant la grossesse chez le rat et, ce faisant, nous n’avons pas pu vérifier notre hypothèse. En conclusion, nous avons démontré que le 17β-E2 agit de façon non génomique sur les muscles lisses des artères utérines qui implique une action sur les canaux potassiques de la membrane cellulaire. Toutefois, notre protocole expérimental n’a pas été en mesure d’évaluer les effets génomiques associés au remodelage vasculaire utérin durant la gestation et d’autres études devront être effectuées.

Régulation du cycle cellulaire par le récepteur natriurétique de type C dans les cellules du muscle lisse vasculaire : mécanismes moléculaires

Nous avons précédemment montré que l’activation du récepteur natriurétique de type C (NPR-C) par son agoniste spécifique, le C-ANP4-23, atténue l’augmentation de la prolifération des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) induite par les peptides vasoactifs (Ang II, ET-1 et l’AVP). Puisque les CMLV provenant de rats spontanément hypertendus (SHR) montrent elles aussi un taux de prolifération plus élevé que leur contrôle, les CMLV de rats Wystar-Kyoto (WKY), nous avons entrepris cette étude dans le but de déterminer si C-ANP4-23 peut également diminuer le taux élevé de prolifération des CMLV de SHR et, le cas échéant déterminer les mécanismes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que le taux de prolifération des CMLV de SHR est significativement plus élevé que celui des CMLV de WKY et que la présence de C-ANP4-23 diminue de manière-dose dépendante le taux de prolifération des CMLV de SHR. En plus, l’expression des protéines de la phase G1 du cycle cellulaire, la cycline D1, la kinase dépendante des cyclines 2 (cdk2) et la forme phosphorylée de la protéine du rétinoblastome (pRb) est augmentée dans les CMLV de SHR comparativement aux CMLV de WKY et est atténué par C-ANP4-23. De plus, nos résultats montrent que les inhibiteurs du complexe cycline D1/cdk4 (NSC 625987) et cdk2 (NU2058) diminue le taux de prolifération élevé des CMLV de SHR. Les CMLV de SHR montrent également un taux de phosphorylation de ERK1/2 et d’AKT et est atténué par C-ANP4-23. De plus, le taux d’expression élevé des protéines cycline D1, cdk2 et pRb des CMLV de SHR est diminué par la toxine pertussis qui inactive la protéine Giα, le PD 98095, un inhibiteur de MEK de la voie des MAPK, du wortmannin, un inhibiteur de la PI3-K et finalement du losartan, un antagoniste du récepteur AT1. Ces résultats suggèrent que l’activation du récepteur NPR-C par C-ANP4-23 diminue le taux de prolifération élevé des CMLV de SHR par une régulation à la baisse des composantes du cycle cellulaire via l’inhibition de la protéine Giα et des voies signalétique MAP kinase/PI3-K.