A biochemical predictor of performance during mesophilic anaerobic fermentation of starch wastewater

The aim of this study was to determine the potential of biochemical parameters, such as enzyme activity and adenosine triphosphate (ATP) levels, as monitors of process performance in the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor utilizing a starch wastewater. The acid and alkaline phosphatase activity and the ATP content of the UASB sludge were measured in response to changes in flow rate and nutrient loading. Conventional parameters of process performance, such as gas production, acetic acid production, COD, phosphorus, nitrogen and suspended solids loadings and % COD removal were also monitored. The response of both biochemical and conventional parameters to changing process conditions was then compared. Alkaline phosphatase activity exhibited the highest activity over the entire study perioda A high suspended solids loading was observed to upset the system in terms of gas production, acetic acid production and % COD removala The initial rate of increase in alkaline phosphatase activity following an increase in loading was four times as great during process upset than under conditions of good performance. The change in enzyme actiVity was also more sensitive to process upset than changes in acetic acid production. The change in ATP content of the sludge with time suggested that enzyme actiVity was changing independently of the actual viable biomass present. The bacterial composition of the anaerobic sludge granules was similar to that of other sludge bed systems, at the light and scanning electron microscope level. Isolated serum bottle cultures produced several acids involved in anaerobic carbohydrate metabolism. The overall performance of the UASB system indicated that higher loadings of soluble nutrients could have been tolerated by the system.

A relationship between photosynthesis and translocation in plants stressed by ionizing radiation

Since previous investigations have shown that low levels of ionizing radiation can induce a reduction in the rates of apparent photosynthesis and in the magnitude of photoassimilated l4C exported out of a leaf, the present studies were designed and conducted to determine the relationship, if any, between the radiation effects on these two physiological processes. The experiments were particularly designed to determine if the radiation-induced reduction in export is the result of the reduction in photosynthesis and hence availability of materials for translocation or the result of a reduction in the amount of energy available for the vein loading process. This study has shown that the radiation-induced reduction in l4C export out of a leaf is likely related to a loss of energy available for the vein loading process rather than a reduction in the supply of materials available for export due to reduced C02 uptake. The process of photophosphorylation was shown to be reduced by exposure to radiation to an extent similar to the reduction in the export of l4C which was also observed. Both of these processes returned to their pre-irradiation rates 120 minutes following radiatruon exposure. The rate of photosynthetic C02 uptake was also reduced by radiation exposur~ howeve~ this process did not return to the control level nor was the extent of reduction as large as observed for photophosphorylation and photoassimilate export. The observed relationship between the reductions of export and photoph~sphorylation pointed to the utilization of photosynthetically produced ATP in the vein loading process. The radiation-induced reduction in the export of l4C was observed at the highest light intensity used in this study which would also imply the involvement of the photophosphorylation process as an energy seurce for vein loading. The lack of radiation-induced reduction in export at low light intensities was interpreted as being due to the utilization of respiratory derived ATP, a process known to be insensitive to radiation at the levels used in this study, as the energy source for the vein loading process. Studies using plants not stressed by radiation showed that there was an increase in export of 14C with higher light intensities. In summary, the data has been interpreted as showing that at high light intensities the ATP, produced by photophosphorylation, is available for use in the vein loading process. The site of ATP utilization could not be determined from the data obtained in this study but possible sites have been indicated from the work done by other physiologists and are discussed in the thesis.

Electrogenic proton/L-glutamate symport in isolated asparagus sprengeri mesophyll cell

Medium' alkaliniiation occurred -lipon the addition of L-Glu to mechanically isolated Asparagus sprenger-i mesophyll cells suspended in 1 mM CaS04. Alkalinization resulted from the coupled entry of H+ and L-Glu anion into the cells. This H+ IL-Glu symport did not stimulate K+ efflux. K+ efflux has been observed during H~ lamino acid symport in other systems. The stimulation of K+ efflux by proton coupled symport is regarded as an indicator of a plasma membrane depolarizing electrogenic symport process. H+ IL-Glu symport in Asparagus sprengerimesophyl1 cells was investigated to determine whether or not the process was electrogenic. The rate of uptake of 0.25 11M 3H-MTPP+ ( Methyltriphenylphosphonium, methyl-3H ) is a probe for monitoring changes in the membrane potential. 3HMTPP+ uptake was reduced by K+ or CCCP, agents known to depolarize the membrane potential. Uptake of 3H-MTPP+ was also inhibited by L-Glu but not by D-Glu. Conversely, 10 mM external MTPP+ inhibited the uptake of 14C-U-LGlu. Simultaneous measurements of the rates of 14C-U-L-Glu uptake and L-Glu dependent H+ influx showed that the molar stoichiometry of H+ IL-Glu symport was 2 to 1. K+ or Na+ stimulated H+ efflux was completely inhibited by DCCD, DES, oligomycin and antimycin reagents which inhibit ATP driven H+ efflux. The H+ efflux \Vas also stimulate.d by the weak acids, butyric acid and acetic acid, which are known fo-aCidify the cytoplasm. This weak acid stimulated H+ efflux was also completely inhibited by oligomycin. It was calculated that net L-Glu dependent H+ influx increased by 100% in the presence of oligomycin and that despite net medium alkalinization H+ IL-Glu symport stimulates ATP dependent H+ efflux. 11 The data presented in this study indicate that H+ IL-Glu symport is electrogenic. The data also show that ATP dependent Ht efflux rather than K+ efflux is the- process compensating for thi~ electrogenic H+ IL-Glu symport.

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 the mechanism of pH-dependent non- photochemical fluorescence quenching in thylakoid membranes

Higher plants have evolved a well-conserved set of photoprotective mechanisms, collectively designated Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence (qN), to deal with the inhibitory absorption of excess light energy by the photosystems. Their main contribution originates from safe thermal deactivation of excited states promoted by a highly-energized thylakoid membrane, detected via lumen acidification. The precise origins of this energy- or LlpH-dependent quenching (qE), arising from either decreased energy transfer efficiency in PSII antennae (~ Young & Frank, 1996; Gilmore & Yamamoto, 1992; Ruban et aI., 1992), from alternative electron transfer pathways in PSII reaction centres (~ Schreiber & Neubauer, 1990; Thompson &Brudvig, 1988; Klimov et aI., 1977), or from both (Wagner et aI., 1996; Walters & Horton, 1993), are a source of considerable controversy. In this study, the origins of qE were investigated in spinach thylakoids using a combination of fluorescence spectroscopic techniques: Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorimetry, pump-probe fluorimetry for the measurement of PSII absorption crosssections, and picosecond fluorescence decay curves fit to a kinetic model for PSII. Quenching by qE (,..,600/0 of maximal fluorescence, Fm) was light-induced in circulating samples and the resulting pH gradient maintained during a dark delay by the lumenacidifying capabilities of thylakoid membrane H+ ATPases. Results for qE were compared to those for the addition of a known antenna quencher, 5-hydroxy-1,4naphthoquinone (5-0H-NQ), titrated to achieve the same degree of Fm quenching as for qE. Quenching of the minimal fluorescence yield, F0' was clear (8 to 130/0) during formation of qE, indicative of classical antenna quenching (Butler, 1984), although the degree was significantly less than that achieved by addition of 5-0H-NQ. Although qE induction resulted in an overall increase in absorption cross-section, unlike the decrease expected for antenna quenchers like the quinone, a larger increase in crosssection was observed when qE induction was attempted in thylakoids with collapsed pH gradients (uncoupled by nigericin), in the absence of xanthophyll cycle operation (inhibited by DTT), or in the absence of quenching (LlpH not maintained in the dark due to omission of ATP). Fluorescence decay curves exhibited a similar disparity between qE-quenched and 5-0H-NQ-quenched thylakoids, although both sets showed accelerated kinetics in the fastest decay components at both F0 and Fm. In addition, the kinetics of dark-adapted thylakoids were nearly identical to those in qEquenched samples at F0' both accelerated in comparison with thylakoids in which the redox poise of the Oxygen-Evolving Complex was randomized by exposure to low levels of background light (which allowed appropriate comparison with F0 yields from quenched samples). When modelled with the Reversible Radical Pair model for PSII (Schatz et aI., 1988), quinone quenching could be sufficiently described by increasing only the rate constant for decay in the antenna (as in Vasil'ev et aI., 1998), whereas modelling of data from qE-quenched thylakoids required changes in both the antenna rate constant and in rate constants for the reaction centre. The clear differences between qE and 5-0H-NQ quenching demonstrated that qE could not have its origins in the antenna alone, but is rather accompanied by reaction centre quenching. Defined mechanisms of reaction centre quenching are discussed, also in relation to the observed post-quenching depression in Fm associated with photoinhibition.

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.

Augmentation de la production d'hydrogène par l'expression hétérologue d'hydrogénase et la production d’hydrogène à partir de résidus organiques

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée.

Régulation de l'activité transcriptionnelle de PPARgamma via l'activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a : potentiel anti-athérosclérotique

Les sécrétines peptidiques de l’hormone de croissance (GHRPs) constituent une classe de peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance (GH). Cette activité est médiée par leur liaison à un récepteur couplé aux protéines G : le récepteur des sécrétines de l’hormone de croissance (GHS-R1a), identifié subséquemment comme le récepteur de la ghréline. La ghréline est un peptide de 28 acides aminés sécrété principalement par les cellules de la muqueuse de l’estomac, qui exerce de nombreux effets périphériques indépendamment de la sécrétion de l’hormone de croissance. Les effets indépendants de la sécrétion de GH incluent, entre autres, des actions sur le contrôle de la prise de nourriture, le métabolisme énergétique, la fonction cardiaque, le système immunitaire et la prolifération cellulaire. L’étude de la distribution périphérique des sites de liaison des GHRPs nous a permis d’identifier un second site, le CD36, un récepteur scavenger exprimé dans plusieurs tissus dont le myocarde, l’endothélium de la microvasculature et les monocytes/macrophages. Le CD36 exprimé à la surface du macrophage joue un rôle clé dans l’initiation du développement de l’athérosclérose par la liaison et l’internalisation des lipoprotéines de faible densité oxydées (LDLox) dans l’espace sous-endothélial de l’artère. L’hexaréline, un analogue GHRP, a été développé comme agent thérapeutique pour stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse. Sa propriété de liaison aux récepteurs GHS-R1a et CD36 situés en périphérie et particulièrement sa capacité d’interférer avec la liaison des LDLox par le CD36 nous ont incité à évaluer la capacité de l’hexaréline à moduler le métabolisme lipidique du macrophage. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer les effets de l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a, par l’hexaréline et la ghréline, le ligand endogène du GHS-R1a, sur la physiologie du macrophage et de déterminer son potentiel anti-athérosclérotique. Les résultats montrent premièrement que l’hexaréline et la ghréline augmentent l’expression des transporteurs ABCA1 et ABCG1, impliqués dans le transport inverse du cholestérol, via un mécanisme contrôlé par le récepteur nucléaire PPARγ. La régulation de l’activité transcriptionnelle de PPARγ par l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a se fait indépendamment de la présence du domaine de liaison du ligand (LBD) de PPARγ et est conséquente de changements dans l’état de phosphorylation de PPARγ. Une étude plus approfondie de la signalisation résultant de la liaison de la ghréline sur le GHS-R1a révèle que PPARγ est activé par un mécanisme de concertation entre les voies de signalisation Gαq/PI3-K/Akt et Fyn/Dok-1/ERK au niveau du macrophage. Le rôle de PPARγ dans la régulation du métabolisme lipidique par l’hexaréline a été démontré par l’utilisation de macrophages de souris hétérozygotes pour le gène de Ppar gamma, qui présentent une forte diminution de l’activation des gènes de la cascade métabolique PPARγ-LXRα-transporteurs ABC en réponse à l’hexaréline. L’injection quotidienne d’hexaréline à un modèle de souris prédisposées au développement de l’athérosclérose, les souris déficientes en apoE sous une diète riche en cholestérol et en lipides, se traduit également en une diminution significative de la présence de lésions athérosclérotiques correspondant à une augmentation de l’expression des gènes cibles de PPARγ et LXRα dans les macrophages péritonéaux provenant des animaux traités à l’hexaréline. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse identifie certains nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de PPARγ et du métabolisme du cholestérol dans le macrophage via les récepteurs CD36 et GHS-R1a. Ils pourraient servir de cibles thérapeutiques dans une perspective de traitement des maladies cardiovasculaires.

Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.

Étude structurale de la fructoselysine 6-kinase d’Escherichia coli : reconnaissance de substrats et mécanisme enzymatique

Quelques enzymes sont connus pour déglyquer les kétoamines résultants de la réaction de Maillard entre des sucres et des amines primaires. Il a été démontré qu’Escherichia coli possède un opéron afin de métaboliser la fructoselysine. La fructoselysine 6-kinase, de la famille des PfkB, initie le processus de déglycation permettant l’utilisation ultérieure du glucose-6-P par la bactérie. La résolution de la structure de la FL6K par cristallographie et diffraction des rayons X a permis d’identifier son site actif en présence d’ATP, d’ADP et d’AMP-PNP. La modélisation de la fructoselysine au site actif de la kinase a permis d’identifier des résidus pouvant être importants pour sa liaison et son mécanisme enzymatique. De plus, les résultats de cinétique suggèrent que le mécanisme utilisé par la FL6K semble passer par un état ternaire de type SN2. Des modifications structurales à la FL6K pourraient permettre d’augmenter la taille des substrats afin de permettre ultimement la déglycation de protéines.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

Effets de plantes réputées antidiabétiques sur un modèle cellulaire hépatique de résistance à l’insuline induite par le palmitate

La pharmacopée Cris est riche en plantes médicinales et plusieurs d’entre elles sont étudiées par notre laboratoire pour leur potentiel antidiabétique. Certaines espèces ont démontré leur capacité à stimuler la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK), une enzyme qui favorise la translocation de transporteurs de glucose à la membrane (effet hypoglycémiant). L’AMPK stimule également d’autres fonctions, telle l’oxydation des graisses, dans le but de rétablir l’énergie cellulaire. Ce projet a comme objectifs d’évaluer, premièrement, le stress métabolique induit par huit des extraits dans des cellules musculaires et des hépatocytes, effet qui serait responsable de l’activation de l’AMPK. Ce stress peut être déterminé en mesurant l’acidification du milieu extracellulaire ainsi que la déplétion du contenu en ATP des cellules suite aux traitements. Le deuxième objectif est de mesurer l’efficacité des extraits à réduire le contenu en gras (oxydation des graisses) et à ainsi normaliser la résistance à l’insuline dans des hépatocytes rendus insulino-résistants. Les hépatocytes sont rendus résistants à l’insuline (condition fortement lié à l’obésité) via traitement avec un acide gras saturé, le palmitate. Les résultats montrent que la majorité des extraits semble induire un stress métabolique de courte durée dans les cellules. Parmi les extraits, seul un a réussi à faire diminuer significativement le taux de triglycérides intracellulaire suite au traitement au palmitate sans toutefois améliorer la sensibilité à l’insuline. En conclusion, le potentiel hypoglycémiant des extraits serait du à leur capacité à affecter la respiration mitochondriale (stress métabolique). Toutefois, leur capacité à améliorer la sensibilité à l’insuline n’a pu être établie.

Impact de facteurs sanguins et d'agents thérapeutiques sur la survie de fibroblastes de sujets atteints de la forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC)

La forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC) est une maladie métabolique associée à une déficience en cytochrome oxydase (COX) et caractérisée par des crises d’acidose lactique, menant à une mort prématurée. Les mécanismes qui sous-tendent l’induction des crises restent inconnus et il n’existe aucune thérapie efficace pour les prévenir. Cette étude vise à caractériser l'effet de facteurs métaboliques périphériques potentiellement altérés chez les patients LSFC sur la mort de lignées cellulaires issues de ces patients et de témoins puis, à identifier des agents thérapeutiques pouvant la prévenir. Nous postulons que (i) ces facteurs métaboliques induiront une mort prématurée des cellules de patients et que (ii) les interventions susceptibles de la prévenir pallieront les conséquences de la déficience en COX, soit la diminution des taux d’adénosine triphosphate (ATP) et l’augmentation du stress oxydant, du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et des lipides toxiques. Un criblage de 8 facteurs sanguins et 10 agents thérapeutiques a été réalisé. Les paramètres mesurés incluent la nécrose, l’apoptose, l’ATP et l’activité de la COX. Les fibroblastes LSFC sont plus susceptibles à la mort par nécrose (39±6%) induite par du palmitate plus lactate, un effet associé à des niveaux d’ATP diminués (53±8%). La mort cellulaire est réduite de moitié par l’ajout combiné d’agents ciblant le NADH, l’ATP et les lipides toxiques, alors que l’ajout d’antioxydants l’augmente. Ainsi, un excès de nutriments pourrait induire la mort prématurée des cellules LSFC et, pour atténuer cette mort, il serait important de combiner plusieurs interventions ciblant différents mécanismes.