Mitochondrial disease in Southwestern Finland. Population-based molecular genetic and clinical studies

Mitochondria are present in all eukaryotic cells. They enable these cells utilize oxygen in the production of adenosine triphosphate in the oxidative phosphorylation system, the mitochondrial respiratory chain. The concept ‘mitochondrial disease’ conventionally refers to disorders of the respiratory chain that lead to oxidative phosphorylation defect. Mitochondrial disease in humans can present at any age, and practically in any organ system. Mitochondrial disease can be inherited in maternal, autosomal dominant, autosomal recessive, or X-chromosomal fashion. One of the most common molecular etiologies of mitochondrial disease in population is the m.3243A>G mutation in the MT-TL1 gene, encoding mitochondrial tRNALeu(UUR). Clinical evaluation of patients with m.3243A>G has revealed various typical clinical features, such as stroke-like episodes, diabetes mellitus and sensorineural hearing loss. The prevalence and clinical characteristics of mitochondrial disease in population are not well known. This thesis consists of a series of studies, in which the prevalence and characteristics of mitochondrial disease in the adult population of Southwestern Finland were assessed. Mitochondrial haplogroup Uk was associated with increased risk of occipital ischemic stroke among young women. Large-scale mitochondrial DNA deletions and mutations of the POLG1 gene were the most common molecular etiologies of progressive external ophthalmoplegia. Around 1% of diabetes mellitus emerging between the ages 18 – 45 years was associated with the m.3243A>G mutation. Moreover, among these young diabetic patients, mitochondrial haplogroup U was associated with maternal family history of diabetes. These studies demonstrate the usefulness of carefully planned molecular epidemiological investigations in the study of mitochondrial disorders.

Effect of a selective nonsteroidal anti-inflammatory inhibitor of cyclooxygenase-2 on the small bowel of rats

The pathogenesis of nonsteroidal anti-inflammatory drug (NSAID) enteropathy is a complex process involving the uncoupling of mitochondrial oxidative phosphorylation and inhibition of cyclooxygenase (COX). Rofecoxib, a selective inhibitor of COX-2, has shown less gastric damage, but the same beneficial effect is not clear in the case of the small bowel. Fifty-seven male Wistar rats (250-350 g) were divided into three groups (N = 19 each) to evaluate the effect of this NSAID on the rat intestine. The groups received 2.5 mg/kg rofecoxib, 7.5 mg/kg indomethacin or water with 5% DMSO (control) given as a single dose by gavage 24 h before the beginning of the experiment. A macroscopic score was used to quantify intestinal lesions and intestinal permeability was measured using [51Cr]-ethylenediaminetetraacetic acid ([51Cr]-EDTA). The extent of intestinal lesion, indicated by a macroscopic score, was significantly lower when rofecoxib was administered compared to indomethacin (rofecoxib = 0.0 vs indomethacin = 63.6 ± 25.9; P < 0.05) and did not differ from control. The intestinal permeability to [51Cr]-EDTA was significantly increased after indomethacin (control = 1.82 ± 0.4 vs indomethacin = 9.12 ± 0.8%; P < 0.0001), but not after rofecoxib, whose effect did not differ significantly from control (control = 1.82 ± 0.4 vs rofecoxib = 2.17 ± 0.4%; ns), but was significantly different from indomethacin (indomethacin = 9.12 ± 0.8 vs rofecoxib = 2.17 ± 0.4%; P < 0.001). In conclusion, the present data show that rofecoxib is safer than indomethacin in rats because it does not induce macroscopic intestinal damage or increased intestinal permeability.

Evaluation by blue native polyacrylamide electrophoresis colorimetric staining of the effects of physical exercise on the activities of mitochondrial complexes in rat muscle

Blue native polyacrylamide electrophoresis (BN-PAGE) is a technique developed for the analysis of membrane complexes. Combined with histochemical staining, it permits the analysis and quantification of the activities of mitochondrial oxidative phosphorylation enzymes using whole muscle homogenates, without the need to isolate muscle mitochondria. Mitochondrial complex activities were measured by emerging gels in a solution containing all specific substrates for NADH dehydrogenase and cytochrome c oxidase enzymes (complexes I and IV, respectively) and the colored bands obtained were measured by optique densitometry. The objective of the present study was the application of BN-PAGE colorimetric staining for enzymatic characterization of mitochondrial complexes I and IV in rat muscles with different morphological and biochemical properties. We also investigated these activities at different times after acute exercise of rat soleus muscle. Although having fewer mitochondria than oxidative muscles, white gastrocnemius muscle presented a significantly higher activity (26.7 ± 9.5) in terms of complex I/V ratio compared to the red gastrocnemius (3.8 ± 0.65, P < 0.05) and soleus (9.8 ± 0.9, P < 0.001) muscles. Furthermore, the complex IV/V ratio of white gastrocnemius muscle was always significantly higher when compared to the other muscles. Ninety-five minutes of exhaustive physical exercise induced a decrease in complex I/V and complex IV/V ratios after all resting times (0, 3 and 6 h) compared to control (P < 0.05), probably reflecting the oxidative damage due to increasing free radical production in mitochondria. These results demonstrate the possible and useful application of BN-PAGE-histochemical staining to physical exercise studies.

Mitochondrial K+ transport and cardiac protection during ischemia/reperfusion

Mitochondrial ion transport, oxidative phosphorylation, redox balance, and physical integrity are key factors in tissue survival following potentially damaging conditions such as ischemia/reperfusion. Recent research has demonstrated that pharmacologically activated inner mitochondrial membrane ATP-sensitive K+ channels (mitoK ATP) are strongly cardioprotective under these conditions. Furthermore, mitoK ATP are physiologically activated during ischemic preconditioning, a procedure which protects against ischemic damage. In this review, we discuss mechanisms by which mitoK ATP may be activated during preconditioning and the mitochondrial and cellular consequences of this activation, focusing on end-effects which may promote ischemic protection. These effects include decreased loss of tissue ATP through reverse activity of ATP synthase due to increased mitochondrial matrix volumes and lower transport of adenine nucleotides into the matrix. MitoK ATP also decreases the release of mitochondrial reactive oxygen species by promoting mild uncoupling in concert with K+/H+ exchange. Finally, mitoK ATP activity may inhibit mitochondrial Ca2+ uptake during ischemia, which, together with decreased reactive oxygen release, can prevent mitochondrial permeability transition, loss of organelle function, and loss of physical integrity. We discuss how mitochondrial redox status, K+ transport, Ca2+ transport, and permeability transitions are interrelated during ischemia/reperfusion and are determinant factors regarding the extent of tissue damage.

Gene expression profiling analysis of lung adenocarcinoma

The present study screened potential genes related to lung adenocarcinoma, with the aim of further understanding disease pathogenesis. The GSE2514 dataset including 20 lung adenocarcinoma and 19 adjacent normal tissue samples from 10 patients with lung adenocarcinoma aged 45-73 years was downloaded from Gene Expression Omnibus. Differentially expressed genes (DEGs) between the two groups were screened using the t-test. Potential gene functions were predicted using functional and pathway enrichment analysis, and protein-protein interaction (PPI) networks obtained from the STRING database were constructed with Cytoscape. Module analysis of PPI networks was performed through MCODE in Cytoscape. In total, 535 upregulated and 465 downregulated DEGs were identified. These included ATP5D, UQCRC2, UQCR11 and genes encoding nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), which are mainly associated with mitochondrial ATP synthesis coupled electron transport, and which were enriched in the oxidative phosphorylation pathway. Other DEGs were associated with DNA replication (PRIM1, MCM3, and RNASEH2A), cell surface receptor-linked signal transduction and the enzyme-linked receptor protein signaling pathway (MAPK1, STAT3, RAF1, and JAK1), and regulation of the cytoskeleton and phosphatidylinositol signaling system (PIP5K1B, PIP5K1C, and PIP4K2B). Our findings suggest that DEGs encoding subunits of NADH, PRIM1, MCM3, MAPK1, STAT3, RAF1, and JAK1 might be associated with the development of lung adenocarcinoma.

Significance of DNA base excision repair in the maintenance of mitochondrial function in Saccharomyces cerevisiae /

Mitochondria have an important role in cell metabolism, being the major site of ATP production via oxidative phosphorylation (OXPHOS). Accumulation of mtDNA mutations have been linked to the development of respiratory dysfunction, apoptosis, and aging. Base excision repair (BER) is the major and the only certain repair pathway existing in mitochondria that is in responsible for removing and repairing various base modifications as well as abasic sites (AP sites). In this research, Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) BER gene knockout strains, including 3 single DNA glycosylase gene knockout strains and Ap endonuclease (Apn 1 p) knockout strain were used to examine the importance of this DNA repair pathway to the maintenance of respiratory function. Here, I show that individual DNA glycosylases are nonessential in maintenance of normal function in yeast mitochondria, corroborating with previous research in mammalian experimental models. The yeast strain lacking Apn 1 p activity exhibits respiratory deficits, including inefficient and significantly low intracellular ATP level, which maybe due to partial uncoupling of OXPHOS. Growth of this yeast strain on respiratory medium is inhibited, but no evidence was found for increased ROS level in Apn 1 p mitochondria. This strain also shows an increased cell size, and this observation combined with an uncoupled OXPHOS may indicate a premature aging in the Apnlp knockout strain, but more evidence is needed to support this hypothesis. However, the BER is necessary for maintenance of mitochondrial function in respiring S.cerevisiae.

Skeletal muscle protein content of lipolytic inhibitor G(0)/G(1) switch gene-2 protein: the effect of endurance training

The first and rate-limiting step of lipolysis is the removal of the first fatty acid from a triglyceride molecule; it is catalyzed by adipose triglyceride lipase (ATGL). ATGL is co-activated by comparative gene identification-58 (CGI-58) and inhibited by the G(0)/G(1) switch gene-2 protein (G0S2). G0S2 has also recently been identified as a positive regulator of oxidative phosphorylation within the mitochondria. Previous research has demonstrated in cell culture, a dose dependent mechanism for inhibition by G0S2 on ATGL. However our data is not consistent with this hypothesis. There was no change in G0S2 protein content during an acute lipolytic inducing set of contractions in both whole muscle, and isolated mitochondria yet both ATGL and G0S2 increase following endurance training, in spite of the fact that there should be increased reliance on intramuscular lipolysis. Therefore, inhibition of ATGL by G0S2 appears to be regulated through more complicated intracellular or post-translation regulation.

Étude des propriétés antidiabétiques de Nigella sativa : sites d’action cellulaires et moléculaires

Nigella sativa ou cumin noir est une plante et un condiment populaires. Les graines de N. sativa sont très utilisées en médecine traditionnelle des pays nord africains pour le traitement du diabète. Cependant, les mécanismes d'actions cellulaires et moléculaires via lesquels cette plante exerce son effet euglycémiant restent encore mal compris. Le but de notre étude est d'examiner l’effet de N. sativa sur la sécrétion d’insuline, le transport de glucose et sur les voies de signalisation impliquées dans l’homéostasie et le métabolisme de glucose, en utilisant des essais biologiques sur des cultures cellulaires murines (cellules β pancréatiques βTC, myoblastes C2C12, hépatocytes H4IIE et adipocytes 3T3-L1) et des études in vivo chez le rat normoglycémique et le Meriones shawi (rongeur) diabétique. Chez les cellules β pancréatiques, N. sativa a augmenté leur prolifération ainsi que la sécrétion basale et gluco-stimulée de l’insuline. N. sativa a augmenté aussi la prise de glucose de 50% chez les cellules musculaires alors que chez les cellules graisseuses, la prise de glucose est augmentée jusqu’au 400%. Les expériences d’immunobuvardage de type western ont montré que N. sativa stimule les voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERKs) et aussi celle insulino-indépendante (AMPK) chez les cellules C2C12. Par contre, chez les 3T3-L1, l’augmentation de transport de glucose est plutôt reliée à une activation de la voie de peroxisome proliferator activated receptor γ (PPARγ). Chez les hépatocytes, N. sativa augmente la stimulation des protéines intracellulaires Akt et 5' adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). Cette activation de l’AMPK est associée à un effet découpleur de la plante au niveau de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Par ailleurs, chez les Meriones shawi diabétiques, N. sativa diminue graduellement la glycémie à jeun ainsi que la réponse glycémique (AUC) à une charge orale en glucose (OGTT) pour atteindre des valeurs semblables aux animaux témoins après quatre semaines de traitement. Une amélioration du profile lipidique est observée autant chez les Meriones shawi diabétiques que chez les rats normaux. Au niveau moléculaire, N. sativa augmente le contenu musculaire en glucose transporter 4 Glut4 et la phosphorylation de l’acetyl-coenzyme A carboxylase ACC dans le muscle soléaire et le foie chez les Mériones shawi diabétiques. Par contre, chez le rat normal, on assiste à une stimulation des voies de signalisation de l’insuline (Akt et ERK) au niveau hépatique. En conclusion, nous avons confirmé l’action insulinotropique de N. sativa au niveau des cellules β pancréatiques et mis en évidence un effet proliférateur pouvant potentiellement s’avérer utile pour contrecarrer la perte de masse cellulaire observée chez les diabétiques. Notre étude a également mis en évidence pour la première fois que N. sativa exerce son activité antidiabétique par une combinaison d’effets insulino-mimétiques et insulino-sensibilisateurs directs permettant ainsi d’augmenter le transport de glucose des tissus périphériques. Cette action de N. sativa est liée à une stimulation des voies de signalisation intracellulaires insulinodépendantes et -indépendantes (AMPK) chez le muscle squelettique et le foie alors qu’elle passe par la voie des PPARγ au niveau du tissu adipeux. Finalement, l’étude in vivo vient confirmer l’effet antidiabétique de N. sativa. Notre apport novateur se situe au niveau de la démonstration que l’activité antidiabétique de N. sativa chez le Meriones shawi diabétique est la résultante des mêmes activités que celles déterminées au niveau de l’étude in vitro. En effet, N. sativa active la voie de l’AMPK, améliore la sensibilité à l’insuline et augmente l’insulinémie. Notre étude montre aussi que N. sativa possède une activité antilipidémiante. Ces résultats confirment le bien-fondé de l'utilisation ethnopharmacologique de N. sativa comme traitement du diabète et des perturbations du métabolisme lipidique qui y sont associées. De plus, les actions pléiotropiques de N. sativa en font un traitement alternatif ou complémentaire du diabète très prometteur qui encouragent à présent la tenue d’études cliniques de bonne qualité.

Regulation of lipid metabolism in adipocytes and hepatocytes by hexarelin through scavenger receptor CD36

Les sécrétines de l’hormone de croissance (GHRPs) sont de petits peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance à partir de l’hypophyse via leur liaison au récepteur de la ghréline GHS-R1a. Le GHRP hexaréline a été utilisé afin d’étudier la distribution tissulaire de GHS-R1a et son effet GH-indépendant. Ainsi, par cette approche, il a été déterminé que l’hexaréline était capable de se lier à un deuxième récepteur identifié comme étant le récepteur scavenger CD36. Ce récepteur possède une multitude de ligands dont les particules oxLDL et les acides gras à longue chaîne. CD36 est généralement reconnu pour son rôle dans l’athérogénèse et sa contribution à la formation de cellules spumeuses suite à l’internalisation des oxLDL dans les macrophages/monocytes. Auparavant, nous avions démontré que le traitement des macrophages avec l’hexaréline menait à l’activation de PPARƔ via sa liaison à GHS-R1a, mais aussi à CD36. De plus, une cascade d’activation impliquant LXRα et les transporteurs ABC provoquait également une augmentation de l’efflux du cholestérol. Une stimulation de la voie du transport inverse du cholestérol vers les particules HDL entraînait donc une diminution de l’engorgement des macrophages de lipides et la formation de cellules spumeuses. Puisque CD36 est exprimé dans de multiples tissus et qu’il est également responsable du captage des acides gras à longue chaîne, nous avons voulu étudier l’impact de l’hexaréline uniquement à travers sa liaison à CD36. Dans le but d’approfondir nos connaissances sur la régulation du métabolisme des lipides par CD36, nous avons choisi des types cellulaires jouant un rôle important dans l’homéostasie lipidique n’exprimant pas GHS-R1a, soient les adipocytes et les hépatocytes. L’ensemble de mes travaux démontre qu’en réponse à son interaction avec l’hexaréline, CD36 a le potentiel de réduire le contenu lipidique des adipocytes et des hépatocytes. Dans les cellules adipeuses, l'hexaréline augmente l’expression de plusieurs gènes impliqués dans la mobilisation et l’oxydation des acides gras, et induit également l’expression des marqueurs thermogéniques PGC-1α et UCP-1. De même, hexaréline augmente l’expression des gènes impliqués dans la biogenèse mitochondriale, un effet accompagné de changements morphologiques des mitochondries; des caractéristiques observées dans les types cellulaires ayant une grande capacité oxydative. Ces résultats démontrent que les adipocytes blancs traités avec hexaréline ont la capacité de se transformer en un phénotype similaire aux adipocytes bruns ayant l’habileté de brûler les acides gras plutôt que de les emmagasiner. Cet effet est également observé dans les tissus adipeux de souris et est dépendant de la présence de CD36. Dans les hépatocytes, nous avons démontré le potentiel de CD36 à moduler le métabolisme du cholestérol. En réponse au traitement des cellules avec hexaréline, une phosphorylation rapide de LKB1 et de l’AMPK est suivie d’une phosphorylation inhibitrice de l’HMG-CoA réductase (HMGR), l’enzyme clé dans la synthèse du cholestérol. De plus, la liaison d'hexaréline à CD36 provoque le recrutement d’insig-2 à HMGR, l’étape d’engagement dans sa dégradation. La dégradation de HMGR par hexaréline semble être dépendante de l’activité de PPARƔ et de l’AMPK. Dans le but d’élucider le mécanisme d’activation par hexaréline, nous avons démontré d’une part que sa liaison à CD36 provoque une déphosphorylation de Erk soulevant ainsi l’inhibition que celui-ci exerce sur PPARƔ et d’autre part, un recrutement de l’AMPK à PGC-1α expliquant ainsi une partie du mécanisme d’activation de PPARƔ par hexaréline. Les résultats générés dans cette thèse ont permis d’élucider de nouveaux mécanismes d’action de CD36 et d'approfondir nos connaissances de son influence dans la régulation du métabolisme des lipides.

Antidiabetic activity of Vaccinium vitis-idaea, a medicinal plant from the traditional pharmacopeia of the James Bay Cree

L’incidence du diabète chez les premières nations du Canada est plus de trois fois celle du reste du pays, dû, en partie, aux traitements culturellement inappropriés. Notre projet vise à traiter le diabète chez ces populations à partir de leur pharmacopée de médicine traditionnelle afin d’améliorer l’acceptation des traitements. En utilisant une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées pour traiter des symptômes du diabète par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec). Parmi eux, l'extrait éthanolique de baies de Vaccinium vitis-idaea a montré un effet stimulateur sur le transport du glucose dans les cellules musculaires squelettiques et les adipocytes en culture. Le but de cette thèse était d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets anti-hyperglycémiants, d’identifier ses principes actifs et de confirmer in vivo, son efficacité. Les résultats démontrent que V.vitis a augmenté le transport du glucose dans les cellules musculaires en cultures, C2C12 et L6 et a stimulé la translocation des transporteurs GLUT4 dans les cellules L6. L'extrait a également inhibé la respiration dans les mitochondries isolées du foie du rat. Cet effet est semblable à celui de la metformine et en lien avec la production du stress métabolique et l'activation de l'AMPK. De plus, la voie de signalisation de l’insuline ne semble pas être impliquée dans le mécanisme d’action de V. vitis. Le fractionnement guidé par la stimulation du transport du glucose a mené à l'isolation des principes actifs; la quercétine, la quercétine-3-O-galactoside, et la quercétine-3-O-glucoside. Comparable à l'extrait brut, ses composés ont stimulé la voie AMPK. Cependant, la quércetine était la seule à inhiber la respiration mitochondriale. Pour valider l'effet de V.vitis in vivo, l'extrait (1% dans l'eau de boisson) a été administré aux souris KKAy pendant 10 jours. La glycémie et le poids corporel ont été significativement réduits par V.vitis. Ces effets ont été associés à une diminution de la prise alimentaire, ce qui suggère que V.vitis diminue l'appétit. L'étude pair-fed a confirmé que les effets de V.vitis sont, majoritairement, dû à la réduction de l’appétit. De plus, V.vitis a augmenté la teneur en GLUT4 dans le muscle squelettique, a stimulé la iv phosphorylation de l'ACC et a augmenté les niveaux de PPAR-α dans le foie des souris KKAy. Ces effets se voient être additifs à l’effet anorexigène de V. vitis. Au cours du fractionnement bioguidé de l’extrait, l’ester méthylique de l'acide caféique (CAME), un produit formé lors de la procédure du fractionnement, a démontré un effet stimulateur puissant sur le transport du glucose dans les celules C2C12 et donc un potentiel anti-diabétique. Pour identifier d'autres acides caféique active (AC) et pour élucider leurs relations structure-activité et structure-toxicité, vingt dérivés AC ont été testés. Outre CAME, quatre composés ont stimulé le transport du glucose et ont activé l'AMPK suite au stress métabolique résultant d'un découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L’activité nécessite une fonction d’AC intacte dépourvu de groupements fortement ionisés et ceci était bien corrélée avec la lipophilicite et la toxicité. Les résultats de cette thèse soutiennent le potentiel thérapeutique de V. vitis, ses composés actifs ainsi que de la famille de l’AC et pour la prévention et le traitement du diabète.

Étude d'un nouveau facteur impliqué dans la biosynthèse de la paroi bactérienne : le facteur ElyC

La résistance bactérienne aux antibiotiques est de nos jours une préoccupation majeure aux acteurs du monde de la santé publique. L’identification de nouvelles cibles bactériennes en vue de développer de nouveaux antibiotiques est donc nécessaire. La paroi bactérienne est une bonne cible car l’inhibition de sa biosynthèse cause la mort des bactéries. De récents travaux de notre laboratoire ont identifié de nombreux nouveaux facteurs importants pour la biosynthèse de la paroi chez Escherichia coli. L’un de ces facteurs renommé ElyC a un domaine DUF218 extrêmement conservé à travers les espèces bactériennes. L’absence du gène elyC entraîne la lyse bactérienne à température pièce. Des études bioinformatiques indiquent qu’ElyC est une protéine membranaire avec deux domaines transmembranaires et un domaine conservé DUF218 de fonction inconnue. Étant donné que les protéines agissent souvent en complexes, nous avons émis l’hypothèse qu’ElyC interagit avec d’autres protéines afin d'exécuter sa fonction biologique. Le but de mon projet est de déterminer la topologie d’ElyC et d’identifier ses partenaires protéiques. L’étude de la topologie a été faite par l’essai de modification de cystéine sur des souches exprimant individuellement le facteur ElyC avec un résidu cystéine en position N-terminale, dans la boucle ou en position C-terminale. Les partenaires protéiques d’ElyC ont été isolés par immuno-précipitation et identifiés par spectrométrie de masse. Les résultats obtenus ont révélé qu’ElyC est une protéine membranaire chez E. coli et est impliquée dans l'assemblage de l'enveloppe bactérienne, dans la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative. Ils ont permis aussi de confirmer l’existence d’un lien entre ElyC et le stress oxydatif. Cependant les résultats pour la détermination de la topologie restent à être clarifiés.

La modulation du métabolisme cellulaire par l'E3 Ubiquitine Ligase MARCH-1

La relocalisation et la dégradation médiée par ubiquitination sont utilisées par la cellule pour contrôler la localisation et l’expression de ses protéines. L’E3 ubiquitine ligase MARCH1 est impliqué dans la régulation post-traductionnelle de CMH-II et de CD86. Dans ce mémoire, on propose un rôle additionnel à MARCH1. Nos résultats expérimentaux nous portent à croire que MARCH1 pourrait moduler le métabolisme cellulaire en favorisant la relocalisation et la dégradation d’enzymes impliquées dans la glycolyse. La grande majorité des cellules utilise la phosphorylation oxydative pour générer de l’ATP en présence d’oxygène. Dans un environnement hypoxique, cette dernière est non fonctionnelle et la cellule doit utiliser la glycolyse anaérobique pour produire son ATP. Une cellule cancéreuse à des besoins énergétiques supérieurs en raison de l’augmentation de sa biomasse et de sa prolifération incontrôlée. Pour subvenir à ces besoins, elle maximise sa production d’énergie en modifiant son métabolisme; c’est l’effet Warburg. On retrouve dans les cellules immunitaires des modifications similaires au métabolisme cellulaire suite à un signal d’activation. Ici, nous montrons que la respiration mitochondriale maximale, la réserve respiratoire et la glycolyse maximale sont diminuées dans les cellules présentatrice d’antigènes qui expriment MARCH1. Nous avons montré que MARCH1 était localisable au niveau de la mitochondrie, ce qui lui permet d’interagir avec les enzymes de la glycolyse. Finalement, nous avons quantifié l’expression de Eno1 et de LDHB par Western Blot, pour montrer une augmentation de l’expression de ces enzymes en absence de MARCH1. À la lumière de ces résultats, nous discutons des avantages que procure la diminution de l’expression de MARCH1 dans un contexte inflammatoire, suite à l’activation des cellules présentatrices d’antigènes. Ce phénomène permettrait une présentation antigénique plus efficace, une augmentation de la production d’énergie et une meilleure résistance aux ROS produits lors de la réponse inflammatoire.

Phenotypic and proteomic characterization of multiply antibiotic-resistant variants of Salmonella entetica serovar typhimurium selected following exposure to disinfectants

In previous work, Salmonella enterica serovar Typhimurium strain SL1344 was exposed to sublethal concentrations of three widely used farm disinfectants in daily serial passages for 7 days in an attempt to investigate possible links between the use of disinfectants and antimicrobial resistance. Stable variants OXCR1, QACFGR2, and TOPR2 were obtained following treatment with an oxidizing compound blend, a quaternary ammonium disinfectant containing formaldehyde and glutaraldehyde, and a tar acid-based disinfectant, respectively. All variants exhibited ca. fourfold-reduced susceptibility to ciprofloxacin, chloramphenicol, tetracycline, and ampicillin. This coincided with reduced levels of outer membrane proteins for all strains and high levels of AcrAB-To1C for OXCR1 and QACFGR2, as demonstrated by two-dimensional high-performance liquid chromatography-mass spectrometry. The protein profiles of OXCR1 and QACFGR2 were similar, but they were different from that of TOPR2. An array of different proteins protecting against oxidants, nitroaromatics, disulfides, and peroxides were overexpressed in all strains. The growth and motility of variants were reduced compared to the growth and motility of the parent strain, the expression of several virulence proteins was altered, and the invasiveness in an enteric epithelial cell line was reduced. The colony morphology of OXCR1 and QACFGR2 was smooth, and both variants exhibited a loss of modal distribution of the lipopolysaccharide O-antigen chain length, favoring the production of short O-antigen chain molecules. Metabolic changes were also detected, suggesting that there was increased protein synthesis and a shift from oxidative phosphorylation to substrate level phosphorylation. In this study, we obtained evidence that farm disinfectants can select for strains with reduced susceptibility to antibiotics, and here we describe changes in protein expression in such strains.

Myostatin is a key mediator between energy metabolism and endurance capacity of skeletal muscle

Myostatin (Mstn) participates in the regulation of skeletal muscle size and has emerged as a regulator of muscle metabolism. Here, we hypothesized that lack of myostatin profoundly depresses oxidative phosphorylation-dependent muscle function. Toward this end, we explored Mstn/ mice as a model for the constitutive absence of myostatin and AAV-mediated overexpression of myostatin propeptide as a model of myostatin blockade in adult wild-type mice. We show that muscles from Mstn/ mice, although larger and stronger, fatigue extremely rapidly. Myostatin deficiency shifts muscle from aerobic toward anaerobic energy metabolism, as evidenced by decreased mitochondrial respiration, reduced expression of PPAR transcriptional regulators, increased enolase activity, and exercise-induced lactic acidosis. As a consequence, constitutively reduced myostatin signaling diminishes exercise capacity, while the hypermuscular state of Mstn/ mice increases oxygen consumption and the energy cost of running. We wondered whether these results are the mere consequence of the congenital fiber-type switch toward a glycolytic phenotype of constitutive Mstn/ mice. Hence, we overexpressed myostatin propeptide in adult mice, which did not affect fiber-type distribution, while nonetheless causing increased muscle fatigability, diminished exercise capacity, and decreased Pparb/d and Pgc1a expression. In conclusion, our results suggest that myostatin endows skeletal muscle with high oxidative capacity and low fatigability, thus regulating the delicate balance between muscle mass, muscle force, energy metabolism, and endurance capacity.

Blockade of ActRIIB signaling triggers muscle fatigability and metabolic myopathy

Myostatin regulates skeletal muscle size via the activin receptor IIB (ActRIIB). However, its effect on muscle energy metabolism and energy dependent muscle function remains largely unexplored. This question needs to be solved urgently since various therapies for neuromuscular diseases based on blockade of ActRIIB signaling are being developed. Here we show in mice that four months of pharmacological abrogation of ActRIIB signaling by treatment with soluble ActRIIB-Fc triggers extreme muscle fatigability. This is associated with elevated serum lactate levels and a severe metabolic myopathy in the mdx mouse, an animal model of Duchenne muscular dystrophy. Blockade of ActRIIB signaling down-regulates Porin, a crucial ADP/ATP shuttle between cytosol and mitochondrial matrix leading to a consecutive deficiency of oxidative phosphorylation as measured by in vivo Phophorus Magnetic Resonance Spectroscopy (31P-MRS). Further, ActRIIB blockade reduces muscle capillarization, which further compounds the metabolic stress. We show that ActRIIB regulates key determinants of muscle metabolism, such as Pparβ, Pgc1α, and Pdk4 thereby optimizing different components of muscle energy metabolism. In conclusion, ActRIIB signaling endows skeletal muscle with high oxidative capacity and low fatigability. The severe metabolic side effects following ActRIIB blockade caution against deploying this strategy, at least in isolation, for treatment of neuromuscular disorders.