Mitochondrial uncoupling prevents cold-induced oxidative stress: a case study using UCP1 knockout mice.

The relationship between metabolism and reactive oxygen species (ROS) production by the mitochondria has often been (wrongly) viewed as straightforward, with increased metabolism leading to higher generation of pro-oxidants. Insights into mitochondrial functioning show that oxygen consumption is principally coupled with either energy conversion as ATP or as heat, depending on whether the ATP-synthase or the mitochondrial uncoupling protein 1 (UCP1) is driving respiration. However, these two processes might greatly differ in terms of oxidative costs. We used a cold challenge to investigate the oxidative stress consequences of an increased metabolism achieved either by the activation of an uncoupled mechanism (i.e. UCP1 activity) in the brown adipose tissue (BAT) of wild-type mice or by ATP-dependent muscular shivering thermogenesis in mice deficient for UCP1. Although both mouse strains increased their metabolism by more than twofold when acclimatised for 4 weeks to moderate cold (12°C), only mice deficient for UCP1 suffered from elevated levels of oxidative stress. When exposed to cold, mice deficient for UCP1 showed an increase of 20.2% in plasmatic reactive oxygen metabolites, 81.8% in muscular oxidized glutathione and 47.1% in muscular protein carbonyls. In contrast, there was no evidence of elevated levels of oxidative stress in the plasma, muscles or BAT of wild-type mice exposed to cold despite a drastic increase in BAT activity. Our study demonstrates differing oxidative costs linked to the functioning of two highly metabolically active organs during thermogenesis, and advises careful consideration of mitochondrial functioning when investigating the links between metabolism and oxidative stress.

Effect of carbohydrate overfeeding on whole body macronutrient metabolism and expression of lipogenic enzymes in adipose tissue of lean and overweight humans

OBJECTIVE: Lipids stored in adipose tissue can originate from dietary lipids or from de novo lipogenesis (DNL) from carbohydrates. Whether DNL is abnormal in adipose tissue of overweight individuals remains unknown. The present study was undertaken to assess the effect of carbohydrate overfeeding on glucose-induced whole body DNL and adipose tissue lipogenic gene expression in lean and overweight humans. DESIGN: Prospective, cross-over study. SUBJECTS AND METHODS: A total of 11 lean (five male, six female, mean BMI 21.0+/-0.5 kg/m(2)) and eight overweight (four males, four females, mean BMI 30.1+/-0.6 kg/m(2)) volunteers were studied on two occasions. On one occasion, they received an isoenergetic diet containing 50% carbohydrate for 4 days prior to testing; on the other, they received a hyperenergetic diet (175% energy requirements) containing 71% carbohydrates. After each period of 4 days of controlled diet, they were studied over 6 h after having received 3.25 g glucose/kg fat free mass. Whole body glucose oxidation and net DNL were monitored by means of indirect calorimetry. An adipose tissue biopsy was obtained at the end of this 6-h period and the levels of SREBP-1c, acetyl CoA carboxylase, and fatty acid synthase mRNA were measured by real-time PCR. RESULTS: After isocaloric feeding, whole body net DNL amounted to 35+/-9 mg/kg fat free mass/5 h in lean subjects and to 49+/-3 mg/kg fat free mass/5 h in overweight subjects over the 5 h following glucose ingestion. These figures increased (P<0.001) to 156+/-21 mg/kg fat free mass/5 h in lean and 64+/-11 mg/kg fat free mass/5 h (P<0.05 vs lean) in overweight subjects after carbohydrate overfeeding. Whole body DNL after overfeeding was lower (P<0.001) and glycogen synthesis was higher (P<0.001) in overweight than in normal subjects. Adipose tissue SREBP-1c mRNA increased by 25% in overweight and by 43% in lean subjects (P<0.05) after carbohydrate overfeeding, whereas fatty acid synthase mRNA increased by 66 and 84% (P<0.05). CONCLUSION: Whole body net DNL is not increased during carbohydrate overfeeding in overweight individuals. Stimulation of adipose lipogenic enzymes is also not higher in overweight subjects. Carbohydrate overfeeding does not stimulate whole body net DNL nor expression of lipogenic enzymes in adipose tissue to a larger extent in overweight than lean subjects.

Neuroprotection for optic nerve disorders.

The concept that optic nerve fiber loss might be reduced by neuroprotection arose in the mid 1990s. The subsequent research effort, focused mainly on rodent models, has not yet transformed into a successful clinical trial, but provides mechanistic understanding of retinal ganglion cell death and points to potential therapeutic strategies. This review highlights advances made over the last year. In excitotoxicity and axotomy models retinal ganglion cell death has been shown to result from a complex interaction between retinal neurons and Müller glia, which release toxic molecules including tumor necrosis factor alpha. This counteracts neuroprotection by neurotrophins such as nerve growth factor, which bind to p75NTR receptors on Müller glia stimulating the toxic release. Another negative effect against neurotrophin-mediated protection involves the action of LINGO-1 at trkB brain-derived neurotrophic factor (BDNF) receptors, and BDNF neuroprotection is enhanced by an antagonist to LINGO-1. As an alternative to pharmacotherapy, retinal defences can be stimulated by exposure to infrared radiation. The mechanisms involved in glaucoma and other optic nerve disorders are being clarified in rodent models, focusing on retrograde degeneration following axonal damage, excitotoxicity and inflammatory/autoimmune mechanisms. Neuroprotective strategies are being refined in the light of the mechanistic understanding.

Analysis of the contribution of the β-oxidation auxiliary enzymes in the degradation of the dietary conjugated linoleic acid 9-cis-11-trans-octadecadienoic acid in the peroxisomes of Saccharomyces cerevisiae

Beta-oxidation of the conjugated linoleic acid 9-cis,11-trans-octadecadienoic acid (rumenic acid) was analyzed in vivo in Saccharomyces cerevisiae by monitoring polyhydroxyalkanoate production in the peroxisome. Polyhydroxyalkanoate is synthesized by the polymerization of the beta-oxidation intermediates 3-hydroxyacyl-CoAs via a bacterial polyhydroxyalkanoate synthase targeted to the peroxisome. The amount of polyhydroxyalkanaote synthesized from the degradation of rumenic acid was found to be similar to the amount synthesized from the degradation of 10-trans,12-cis-octadecadienoic acid, oleic acid or 10-cis-heptadecenoic acid. Furthermore, the degradation of 10-cis-heptadecenoic acid was found to be unaffected by the presence of rumenic acid in the media. Efficient degradation of rumenic acid was found to be independent of the Delta(3,5),Delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase but instead relied on the presence of Delta(3),Delta(2)-enoyl-CoA isomerase activity. The presence of the unsaturated monomer 3-hydroxydodecenoic acid in polyhydroxyalkanoate derived from rumenic acid degradation was found to be dependent on the presence of a Delta(3),Delta(2)-enoyl-CoA isomerase activity. Together, these data indicate that rumenic acid is mainly degraded in vivo in S. cerevisiae through a pathway requiring only the participation of the auxiliary enzymes Delta(3),Delta(2)-enoyl-CoA isomerase, along with the enzyme of the core beta-oxidation cycle.

Specific targeting of pro-death NMDA receptor signals with differing reliance on the NR2B PDZ ligand.

NMDA receptors (NMDARs) mediate ischemic brain damage, for which interactions between the C termini of NR2 subunits and PDZ domain proteins within the NMDAR signaling complex (NSC) are emerging therapeutic targets. However, expression of NMDARs in a non-neuronal context, lacking many NSC components, can still induce cell death. Moreover, it is unclear whether targeting the NSC will impair NMDAR-dependent prosurvival and plasticity signaling. We show that the NMDAR can promote death signaling independently of the NR2 PDZ ligand, when expressed in non-neuronal cells lacking PSD-95 and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), key PDZ proteins that mediate neuronal NMDAR excitotoxicity. However, in a non-neuronal context, the NMDAR promotes cell death solely via c-Jun N-terminal protein kinase (JNK), whereas NMDAR-dependent cortical neuronal death is promoted by both JNK and p38. NMDAR-dependent pro-death signaling via p38 relies on neuronal context, although death signaling by JNK, triggered by mitochondrial reactive oxygen species production, does not. NMDAR-dependent p38 activation in neurons is triggered by submembranous Ca(2+), and is disrupted by NOS inhibitors and also a peptide mimicking the NR2B PDZ ligand (TAT-NR2B9c). TAT-NR2B9c reduced excitotoxic neuronal death and p38-mediated ischemic damage, without impairing an NMDAR-dependent plasticity model or prosurvival signaling to CREB or Akt. TAT-NR2B9c did not inhibit JNK activation, and synergized with JNK inhibitors to ameliorate severe excitotoxic neuronal loss in vitro and ischemic cortical damage in vivo. Thus, NMDAR-activated signals comprise pro-death pathways with differing requirements for PDZ protein interactions. These signals are amenable to selective inhibition, while sparing synaptic plasticity and prosurvival signaling.

The influence of skeletal muscle cell volume on the regulation of carbohydrate uptake and muscle metabolism

This study investigated the regulation of carbohydrate metabolism and glucose uptake through changes in skeletal muscle cell volume. Using an established invitro isolated whole muscle model, soleus (SOL) and extensor digitorum longus (EDL) muscles were dissected from male rats and incubated in an organ bath containing Sigma medium-199 with 8 mM D-glucose altered to target osmolality (hypo-osmotic: HYPO, iso-osmotic: ISO, hyper-osmotic: HYPER; 190, 290, 400 mmol/kg). Muscles were divided into two groups; metabolite (MM) and uptake (MU). MM (N=48) were incubated for 60 minutes and were then immediately flash frozen. MU (N=24) were incubated for 30 minutes and then the extracellular fluid was exchanged for media containing ^H-glucose and ^'*C-mannitol and incubated for another 30 minutes. After the incubation, the muscles were freeze clamped. Results demonstrated a relative water decrease and increase in HYPER and HYPO, respectively. EDL and SOL glucose uptakes were found to be significantly greater in HYPER conditions. The HYPER condition resulted in significant alterations in muscle metabolite concentrations (lower glycogen, elevated lactate, and G-6-P) suggesting a catabolic cell state, and an increase in glycogen synthase transformation when compared to the HYPO group. In conclusion, skeletal muscle cell volume alters rates of glucose uptake with further alterations in muscle metabolites and glycogen synthase transformation.

Adaptations of skeletal muscle pyruvate dehydrogenase kinase in response to food-restriction in mitochondrial subpopulations

University, 2006 Dr. Sandra J. Peters Pyruvate dehydrogenase (PDH) catalyses the decarboxylation of pyruvate, to form acetyl-CoA. PDH activity is down-regulated by intrinsic PDH kinases (predominantly PDK2 and PDK4 isoforms), but the understanding of the PDK isoform distribution and adaptation to nutritional stresses has been restricted to mixed mitochondrial populations, and not delineated between subsarcolemmal (SS) and intermyofibrillar (IMF) subpopulations. SS and IMF mitochondria exhibit distinct morphological and biochemical properties; however the functional differences are not well understood. This study investigated the effect of fed (FED) versus 48 h total foodrestriction (FR) on rat red gastrocnemius muscle PDK2 and 4 isoform content in SS and IMF mitochondria. PDK4 content was ~3-5 fold higher in SS mitochondria compared to IMF (p=0.001), and increased with FR -3-4- fold in both subpopulations (p<0.001). PDK2 was -2.5-4 fold higher in SS mitochondria compared to IMF (p=0.001), but PDK2 was unaltered with FR. Citrate synthase activity (|imol/min/mg mitochondrial protein) was not different between either subpopulation. As well there were no significant differences between mitochondrial subpopulations in PDH complex components in both fed and FR states. These results demonstrate that there is a markedly higher content of both PDK isofonns in SS compared to IMF mitochondria. Although PDK2 does not increase in either subpopulation in response to FR, PDK4 increases to a similar extent in both SS and IMF after 48 h food-restriction.

Glucose dynamics in rat skeletal muscle : recovery from osmotic stress

The purpose of this study was to examine cell glucose kinetics in rat skeletal muscle during iso-osmotic recovery from hyper- and hypo-osmotic stress. Rat EDL muscles were incubated for sixty minutes in either HYPO (190 mmol/kg), ISO (290 mmol/kg), or HYPER (400 mmol/kg) media (Sigma medium-199, 8 mM glucose) according to an established in vitro whole muscle model. In addition to sixty minute baseline measures in aniso-osmotic conditions, (HYPO-0 n=8; ISO- 0, n=S; HYPER-0, n=8), muscles were subjected to either one minute (HYPO-1 n=8; ISO-1, n=8; HYPER-1, n=8) or five minutes (HYPO-5 n=8; ISO-5, n=8; HYPER-5, n=8) of iso-osmotic recovery media and analyzed for metabolite content and glycogen synthase percent activation. To determine glucose uptake during iso-osmotic recovery, muscles (n=6 per group) were incubated for sixty minutes in either hypo-, iso-, or hyper-osmotic media immediately followed by five minutes of iso-osmotic media containing 3H-glucose and 14 C-mannitol. Increased relative water content/decreased [glucose] (observed in HYPO-0) and decreased water content/increased [glucose] (observed in HYPER-0) returned to ISO levels within 5 minutes of recovery. Glycogen synthase percent activation increased significantly in HYPO-5 over iso-osmotic controls. Glucose uptake measurements revealed no significant differences between groups. It was determined that [glucose] and muscle water content rapidly recovered from osmotic stress demonstrating skeletal muscle's resilience to osmotic stress.

Glucosamine resistance in the yeast, Saccharomyces cerivisae [sic]

By using glucosamine resistant mutants of Saccharomyces ceriv~sa~ an attempt was made to discover the mechanisms which cause glucose repression and/or the Crabtree effect. The strains used are 4B2, GR6, lOP3r, GR8l and GRI08. 4B2 is a wild type yeast while the others are its mutants. To characterize the biochemical reactions which made these mutants resistant to glucosamine poisoning the following experiments were done~ 1. growth and respiration; 2. transport of sugars; 3. effect of inorganic phosphate (Pi): 4. Hexokinase; 5. In yivo phosphorylation. From the above experiments the following conclusions may be drawn: (i) GR6 and lOP3r have normal respiratory and fermentative pathways. These mutants are resistant to glucosamine poisoning due to a slow rate of sugar transport which is due to change in the cell membrane. (ii) GR8l has a normal respiratory pathway. The slow growth on fermentable carbon sourCEE indicates that in GR8l the lesion is in or associated with the glycolytic pathway. The lower rate of sugar transport may be due to a change in energy metabolism. The invivo phosphorylation rate indicates that in GR81 facilitated diffusion is the dominant transport mechanism. (iii) GR108 msa normal glycolytic pathway but the respiratory pathway is abnormal. The slow rate of sugar transport is due to a change in energy metabolism. The lower percentage of in vivo phosphorylation is probably due to a lowered availability of ATP because of the mitochondrial lesion. In all mutants resistance to glucosamine poisoning is due to a lower rate of utilization of ATP. which is caused by various mechanisms (see above), making less ADP available for phosphorylation via ATP synthase which utilizes inorganic phosphate. Because of the lower utilization of Pi, the concentration of intra-mitochondrial Pi does not go down thus protecting mutants from glucosamine poisoning.

Localization of monoterpenoid indole alkaloid (MIA) biosynthesis by in situ hybridization (ISH)

Monoterpenoid indole alkaloids (MIA) are among the largest and most complex group of nitrogen containing secondary metabolites that are characteristic of the Apocynaceae plant family including the most notable Catharanthus roseus. These compounds have demonstrated activity as successful drugs for treating various cancers, neurological disorders and cardiovascular conditions. Due to the low yields of these compounds and high pharmacological value, their biosynthesis is a major topic of study. Previous work highlighting the leaf epidermis and leaf surface as a highly active area in MIA biosynthesis and MIA accumulation has made the epidermis a major focus of this thesis. This thesis provides an in-depth analysis of the valuable technique of RNA in situ hybridization (ISH) and demonstrates the application of the technique to analyze the location of the biosynthetic steps involved in the production of MIAs. The work presented in this thesis demonstrates that most of the MIAs of Eurasian Vinca minor, African Tabernaemontana e/egans and five Amsonia species, including North American Amsonia hubrichitii and Mediterranean A. orienta/is, accumulate in leaf wax exudates, while the rest of the leaf is almost devoid of alkaloids. Biochemical studies on Vinca minor displayed high tryptophan decarboxylase (TOe) enzyme activity and protein expression in the leaf epidermis compared to whole leaves. ISH studies aimed at localizing TOe and strictosidine synthase suggest the upper and lower epidermis of V. minor and T. e/egans as probable significant production sites for MIAs that will accumulate on the leaf surface, however the results don't eliminate the possibility of the involvement of other cell types. The monoterpenoid precursor to all MIAs, secologanin, is produced through the MEP pathway occurring in two cell types, the IPAP cells (Gl0H) and epidermal cells (LAMT and SLS). The work presented in this thesis, localizes a novel enzymatic step, UDPG-7-deoxyloganetic acid glucosyltransferase (UGT8) to the IPAP cells of Catharanthus longifolius. These results enable the suggestion that all steps from Gl0H up to and including UGT8 occur in the IPAP cells of the leaf, making the IPAP cells the main site for the majority of secologanin biosynthesis. It also makes the IPAP cells a likely cell type to begin searching for the gene of the uncharacterized steps between Gl0H and UGT8. It also narrows the compound to be transported from the IPAP cells to either 7-deoxyloganic acid or loganic acid, which aids in the identification of the transportation mechanism.

Functional Characterization of Monoterpenoid Indole Alkaloid (MIA) Biosynthetic Genes in Catharanthus roseus

The monoterpenoid indole alkaloids (MIAs) of Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) are known to be among the most important source of natural drugs used in various cancer chemotherapies. MIAs are derived by combining the iridoid secologanin with tryptamine to form the central precursor strictosidine that is then converted to most known MIAs, such as catharanthine and vindoline that dimerize to form anticancer vinblastine and vincristine. While their assembly is still poorly understood, the complex multistep pathways involved occur in several specialized cell types within leaves that are regulated by developmental and environmental cues. The organization of MIA pathways is also coupled to secretory mechanisms that allow the accumulation of catharanthine in the waxy leaf surface, separated from vindoline found within leaf cells. While the spatial separation of catharanthine and vindoline provides an explanation for the low levels of dimeric MIAs found in the plants, the secretion of catharanthine to the leaf surface is shown to be part of plant defense mechanisms against fungal infection and insect herbivores. The transcriptomic databases of Catharanthus roseus and various MIA producing plants are facilitating bioinformatic approaches to identify novel MIA biosynthetic genes. Virus-induced gene silencing (VIGS) is being used to screen these candidate genes for their involvement in iridoid biosynthesis pathway, especially in the identification of 7-deoxyloganic acid 7-hydroxylase (CrDL7H) shown by the accumulation of its substrate, 7-deoxyloganic acid and decreased level of secologanin along with catharanthine and vindoline. VIGS can also confirm the biochemical function of genes being identified, such as in the glucosylation of 7-deoxyloganetic acid by CrUGT8 shown by decreased level of secologanin and MIAs within silenced plants. Silencing of other iridoid biosynthetic genes, loganic acid O-methyltransferase (LAMT) and secologanin synthase (SLS) also confirm the metabolic route for iridoid biosynthesis in planta through 7-deoxyloganic acid, loganic acid, and loganin intermediates. This route is validated by high substrate specificity of CrUGT8 for 7-deoxyloganetic acid and CrDL7H for 7-deoxyloganic acid. Further localization studies of CrUGT8 and CrDL7H also show that these genes are preferentially expressed within Catharanthus leaves rather than in epidermal cells where the last two steps of secologanin biosynthesis occur.

Endothelin-1 in osteoarthritic chondrocytes triggers nitric oxide production and upregulates collagenase production

Affiliation: Florina Moldovan: Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal & CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Christina Alexandra Manacu, Marjolaine Roy-Beaudry, Fazool Shipkolye : CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Johanne Martel-Pelletier & Jean-Pierre Pelletier : CHUM Hôpital Notre-Dame, Université de Montréal.

Rôle des Cellules Endothéliales Progénitrices dans la Régulation de la Fonction Plaquettaire

Les Cellules Endothéliales Progénitrices ("Endothelial Progenitor Cells", EPCs) sont des précurseurs endothéliaux qui jouent un rôle émergeant en biologie vasculaire. Les EPCs ont été localisées dans le cordon ombilical, la moelle osseuse, le sang périphérique et dans certains tissus régénérateurs. Les interactions des EPCs avec les cellules sanguines et vasculaires peuvent largement influencer leurs propriétés biologiques et dicter leur fonctionnement pendant la réparation endothéliale. Plus spécifiquement, les interactions des EPCs avec les plaquettes circulantes induisent leur migration, leur recrutement et leur différentiation en cellules endothéliales aux sites de lésions vasculaires. Cependant, l’impact d’une telle interaction sur la fonction plaquettaire n’a pas été recherché. Le but de mon projet était de :1) générer des EPCs à partir des cellules mononucléaires du sang humain périphérique ("Peripheral Blood Mononuclear Cells", PBMCs); 2) étudier les interactions adhésives entre les EPCs et les plaquettes; 3) déterminer leur impact sur la fonction plaquettaire et la formation du thrombus et 4) décrire le mécanisme d’action des EPCs sur les plaquettes et le thrombus. Mises en culture sur une surface de fibronectine dans un milieu conditionné, les PBMCs fraîchement isolées possédaient une morphologie ronde et une petite taille. Après cinq jours, les PBMCs adhérentes donnaient naissance à des colonies, puis formaient une monocouche de cellules aplaties caractéristiques des EPCs après dix jours de culture. Les EPCs différenciées étaient positives pour l’Ulex-lectine et l’Acétyle des lipoprotéines de faible densité ("Acetylated Low Density Lipoprotein", Ac-LDL), exprimaient les marqueurs progéniteurs (CD34, P-sélectine, VEGFR2, vWF et VE-Cadhérine) tandis que les marqueurs leucocytaires (CD14, PSGL-1 et L-sélectine) étaient absents. Ces EPCs interagissaient avec les plaquettes activées par un mécanisme dépendant de la P-sélectine plaquettaire, inhibaient l’activation et l’agrégation plaquettaire et réduisaient significativement l’adhésion plaquettaire, principalement par l’action de prostacycline (PGI2). En fait, ceci était associé avec une augmentation de l’expression de la cyclooxygénase-2 (COX-2) et du monoxyde d’azote (NO) synthéthase inductible (iNOS). Toutefois, les effets inhibiteurs des EPCs sur la fonction plaquettaire ont été renversés par une inhibition de la COX et non pas du NO. Bien que les EPCs fussent en mesure de lier les plaquettes via la P-sélectine, leurs effets prédominants étaient médiés essentiellement par une sécrétion paracrine, impliquant la PGI2. Néanmoins, un rapprochement étroit ou un bref contact entre les EPCs et les plaquettes était requis pour que cette fonction soit complètement réalisée. D’ailleurs, cet aspect a été investigué chez des souris déficientes en P-sélectine (P-sel-/-) et chez leurs congénères de phénotype sauvage (Wild Type, WT). Chez les souris WT, les EPCs inhibaient l’agrégation plaquettaire dans le sang complet de manière concentration-dépendante alors que dans les souris P-sel-/-, l’action des EPCs n’avait pas d’effet significatif. De plus, en utilisant un modèle murin de thrombose artérielle, nous avons démontré que l’infusion systémique des EPCs altéraient la formation du thrombus et réduisaient significativement sa masse chez les souris WT, mais non pas chez les souris P-sel-/-. En outre, le nombre des EPCs incorporées au niveau du thrombus et de la paroi vasculaire était visiblement réduit chez les P-sel-/- par rapport aux souris WT. Dans cette étude, nous sommes parvenus à différentier adéquatement des EPCs à partir des PBMCs, nous avons étudié les interactions adhésives entre les EPCs et les plaquettes, et nous avons décrit leur impact sur la fonction plaquettaire et la formation du thrombus. De plus, nous avons identifié la PGI2 comme étant le principal facteur soluble sécrété par les EPCs en culture et responsable de leurs effets inhibiteurs sur l’activation, l’adhésion et l’agrégation plaquettaire in vitro. De surcroît, nous avons élucidé le mécanisme d’action des EPCs sur l’agrégation plaquettaire et la formation du thrombus, in vivo, et nous avons souligné le rôle de la P-sélectine plaquettaire dans ce processus. Ces résultats ajoutent de nouvelles connaissances sur la biologie des EPCs et définissent leur rôle potentiel dans la régulation de la fonction plaquettaire et la thrombogenèse.

Modulation of Oxytocin Receptors in Right Ventricular Hypertrophy

L’hypertension pulmonaire (HP) est une maladie dont l’étiologie est inconnue et qui entraîne ultimement une défaillance du ventricule droit (VD) et le décès. L’HP peut être induite chez le rat par la la monocrotaline (MCT), un alcaloïde pyrrolizidique extrait de la plante Crotalaria Spectabilis, causant des lésions à l’endothélium des artères pulmonaires, menant à un épaississement de ces dernières et à une augmentation de la résistance vasculaire. Ceci à pour conséquence de causer une hypertrophie du VD, de l’inflammation, une dysfonction endothéliale NO-dépendante des artères coronariennes et une augmentation des peptides natriurétiques circulants. Objectif: Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’étiopathologie de l’HP impliquerait le récepteur à ocytocine (OTR) dû à son implication fonctionnelle avec les cytokines inflammatoires et la libération du peptide natriurétique atrial (ANP) et du NO. Méthodes: Des rats mâles Sprague-Dawley pesant 220-250g reçurent une seule injection sous-cutanée de MCT (60 mg/kg). 6 à 7 semaines (46±1 jours) suivant l’injection, les rats furent sacrifiés et l’expression génique et protéique fut déterminée par PCR en temps réel et par western blot, respectivement, dans le VD et le ventricule gauche (VG) Résultats: Les rats traités au MCT démontrèrent une augmentation significative du VD. Une hypertrophie du VD était évidente puisque le ratio du VD sur le VG ainsi que le poids du septum étaient près de 77% plus élevés chez les rats traités au MCT que chez les rats contrôles. Le traitement au MCT augmenta l’expression génique d’ANP (3.7-fois dans le VG et 8-fois dans le VD) ainisi que le NP du cerveau (2.7-fois dans le VG et 10-fois dans le VD). Les transcrits de trois récepteurs de NP augmentèrent significativement (0.3-2 fois) seulement dans le VD. L’expression protéique de la NO synthase (iNOS) fut également augmentée de façon sélective dans le VD. Par contre, les transcripts de NOS endothéliale et de NOS neuronale étaient plus élevés (0.5-2 fold) dans le VG. L’ARNm et l’expression protéique d’OTR furent diminués de 50% dans le VD, tandis qu’une augmentation de l’expression des cytokines IL-1β and IL-6 fut observée. L’ARNm de Nab1, un marqueur d’hypertrophie pathologique, fut augmentée de deux-fois dans le VD. Conclusion: L’augmentation d’expression génique de NP dans le VD des rats traités au MCT est associée à une augmentation des transcripts du récepteur NP, suggérant une action locale de NP dans le VD durant l’HP. L’expression d’OTR est atténuée dans le VD, possiblement par des cytokines inflammatoires puisque le promoteur du gène de l’OTR contient de multiples éléments de réponse aux interleukines. Diminuer l’expression d’OTR dans le VD durant l’hypertension pulmonaire pourrait influencer de manière positive la fonction cardiaque car l’OTR régule la contractilité et le rythme cardiaque. Mots clés: hypertension pulmonaire, hypertrophie du ventricule droit monocrotaline, récepteur à ocytocine, inflammation, peptides natriurétiques.

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.