Does Gamma-aminobutyric acid function as a plant resistance mechanism against phytophagous insect activity? /

Gamma-aminobutyric acid (GAB A) is a ubiquitous non-protein amino acid synthesized via the decarboxylation of L-glutamate in a reaction catalyzed by the cytosolic enzyme L-glutamate decarboxylase (GAD). In animals it functions as an inhibitory neurotransmitter. In plants it accumulates rapidly in response to various stresses, but its function remains unclear. The hypothesis that GABA accumulation in leaf tissue may function as a plant resistance mechanism against phytophagous insect activity was investigated. GABA accumulation in response to mechanical stimulation, mechanical damage and insect activity was demonstrated. In wt tobacco (Nicotiana tabacum cv Samsun), mechanical stimulation or damage caused GABA to accumulate within 2 min from mean levels of 14 to 37 and 1~9 nmol g-l fresh weight (FW), respectively. In the transgenic tobacco strain CaMVGAD27c overexpressing Petunia GAD, the same treatments caused GABA to accumulate from 12 to 59 and 279 nmol g-l FW, respectively. In the transgenic tobacco strain CaMVGADilC 11 overexpressing Petunia GAD lacking an autoinhibitory domain, mechanical stimulation or damage caused GABA to accumulate from 180 to 309 and 630 nmol g-l FW, respectively. Ambulatory activity by tobacco budworm (TBW) larvae (Heliothis virescens) on leaves of CaMVGAD27c tobacco caused GABA to accumulate from 28 to 80 nmol g-l FW within 5 min. Ambulatory and leaf-rolling activity by oblique banded leaf roller (OBLR) larvae (Choristoneura rosaceana cv Harris) on wt soybean leaves (Glycine max cv Harovinton) caused GABA to accumulate from 60 to 1123 nmol g-l FW within 20 min. Increased GABA levels in leaf tissue were shown to affect phytophagous preference in TBW larvae presented with wt and transgenic tobacco leaves. When presented with leaves of Samsun wt and CaMVGAD27c plants, TBW larvae consumed more wt leaf tissue (640 ± 501 S.D. mm2 ) than transgenic leaf tissue (278 ± 338 S.D. mm2 ) nine times out of ten. When presented with leaves of Samsun wt and CaMVGAD~C11 plants, TBW larvae consumed more transgenic leaf tissue (1219 ± 1009 S.D. mm2 ) than wt leaf tissue (28 ± 31 S.D. mm2 ) ten times out of ten. These results indicate that: (1) ambulatory activity of insect larvae on leaves results in increased GABA levels, (2) transgenic tobacco leaves with increased capacity for GABA synthesis deter feeding, and (3) transgenic tobacco leaves with constitutively higher GABA levels stimulate feeding.

An investigation into differences between indoleacetic acid and fusicoccin in their influence on RNA synthesis, protein synthesis and growth in Avena coleoptile tissue

Growth stimulation of Avena coleoptile tissue by indoleacetic acid (IAA) and fusicoccin (FC) was compared by measuring both their influence on RNA and protein synthesis during IAA or FC stimulated growth. FC stimulated growth more than IAA during the initial four hour exposure, after which the growth rate gradually declined to the control rate. FC, but not IAA, increased the uptake of 3H-Ieucine into tissue and the specific radioactivity of extracted protein. Cycloheximide inhibited the incorporation of 3H-Ieucine into protein by approximately 60% to 70% in all cases. In the presence of cycloheximide 3H-radioactivity accumulated in FC-treated tissue, whereas IAA did not seem to influence 3H-accumulation. These results suggest that FC stimulated leucine uptake into the tissue and that increased specific activity of coleoptile protein is due to increased leucine uptake, not an increased rate of protein synthesis. There was no measurable influence of IAA and/or FC on RNA and protein synthesis during the initial hours of a growth stimulation. Inhibitors of RNA and protein synthesis, actinomycin D and cycloheximide, respectively, severely inhibited IAA enhanced growth but only partially inhibited FC stimulated growth. The data are consistent with suggestions that a rapidly turning over protein participates in IAA stimulated growth, and that a continual synthesis of RNA and proteins is an absolute requirement for a long term growth response to IAA. On the contrary, FC-stimulated growth exhibited less dependency on the transcription and translation processes. The data are consistent with proposals suggesting different sites of action for FC and IAA stimulated growth. l?hen compared to CO2-free air, CO2 at 300 ppm had no significant influence on coleoptile growth and protein synthesis in the presence or absence of lAA or FC. Also, I mM malate, pH 6.0 did not influence growth of coleoptiles in the presence or absence of lAA. This result was obtained despite reports indicating that 300 ppm CO2 or I mM malate stimulates growth and protein synthesis. This lack of difference between CO2-treated and untreated tissue could indicate either that the interstitial space CO2 concentration is not actually different in the two treatments due to significant endogenous respiratory CO2 or else the data would suggest a very loose coupling between dark CO2 fixation and growth. IAA stimulated the in vivo fixation of 14c-bicarbonate (NaHI4c03) by about 25% and the addition of cycloheximide caused an inhibition of bicarbonate fixation within 30 min. Cycloheximide has also been reported to inhibit IAA-stimulated H+ excretion. These data are consistent with the acid growth theory and suggest that lAA stimulated growth involves dark CO2 fixation. The roles of dark CO2 fixation in lAA-stimulated growth are discussed.

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.

Rapid [Gamma]-amino acid synthesis and the inhibition of the growth and development of oblique banded leaf-roller larvae

The hypothesis that rapid y-aminobutyric acid (GABA) accumulation is a plant defense against phytophagous insects was investigated. Simulation of mechanical damage resulting from phytophagous insect activity increased soybean (Glycine max L.) leaf GABA 10- to 25-fold within 1 to 4 min. Pulverizing leaf tissue resulted in a value of 2. 15 (±O. 11 SE) ~mol GABA per gram fresh weight. Increasing the GABA levels in a synthetic diet from 1.6 to 2.6 Jlffiol GABA per gram fresh weight reduced the growth rates, developmental rates, total biomass (50% reduction), and survival rates (30% reduction) of cultured Oblique banded leaf-roller (OBLR) (Choristonellra rosacealla Harris) larvae. In field experiments OBLR larvae were found predominantly on young terminal leaves which have a reduced capacity to produce GABA in response to mechanical damage. Glutamate decarboxylase (GAD) is a cytosolic enzyme which catalyses the decarboxylation of L-Glu to GABA. GAD is a calmodulin binding enzyme whose activity is stimulated dramatically by increased cytosolic H+ or Ca2 + ion concentrations. Phytophagous insect activity will disrupt the cellular compartmentation of H+ and Ca2 +, activate GAD and subsequent GABA accumulation. In animals GABA is a major inhibitory neurotransmitter. The possible mechanisms resulting in GABA inhibited growth and development of insects are discussed.

Synthesis and utilization of guanidine catalysts for applications directed towards the preparation of butenolide and modified amino acid derivatives

Development of guanidine catalysts is explored through direct iminium chloride and amine coupling, alongside a 2-chloro-l,3-dimethyl-IH-imidazol-:-3-ium chloride (DMC) induced thiourea cyclization. Synthesized achiral catalyst N-(5Hdibenzo[ d,t][1,3]diazepin-6(7H)-ylidene)-3,5-bis(trifluoromethyl) aniline proved unsuccessful towards O-acyl migrations, however successfully catalyzed the vinylogous aldol reaction between dicbloro furanone and benzaldehyde. Incorporating chirality into the guanidine catalyst utilizing a (R)-phenylalaninol auxiliary, generating (R)-2-((5Hdibenzo[ d,t] [1,3 ]diazepin-6(7H)-ylidene ) amino )-3 -phenylpropan-l-ol, demonstrated enantioselectivity for a variety of adducts. Highest enantiomeric excess (ee) was afforded between dibromofuranone and p-chlorobenzaldehyde, affording the syn conformation in 96% ee and the anti in 54% ee, with an overall yield of30%. Attempts to increase asymmetric induction were focused on incorporation of axial chirality to the (R)phenylalaninol catalyst using binaphthyl diamine. Incorporation of (S)-binaphthyl exhibited destructive selectivity, whereas incorporation of (R)-binaphthyl demonstrated no effects on enantioselectivity. Current studies are being directed towards identifying the catalytic properties of asymmetric induction with further studies are being aimed towards increasing enantioselectivity by increasing backbone steric bulk.

Preliminary characterization of VmTPT2, a putative monoterpene indole alkaloid (MIA) transporter from Vinca minor L. (Apocynaceae)

The various steps of monoterpene indole alkaloid (MIA) biosynthesis are known to occur in specialized cell types and subcellular compartments. Numerous MIAs display powerful biological activities that have led to their use as pharmaceutical treatments for cancer, hypertension and malaria. Many of these compounds accumulate on the leaf surface of medicinally important Apocynaceae plants, which led to the recent discovery and characterization of an ABC transporter (CrTPT2) that was shown to mobilize catharanthine from its site of biosynthesis in epidermal cells to the leaf surface of Catharanthus roseus. Bioinformatic analysis of transcriptomes from several geographically distant MIA-producing species led to the identification of proteins with high amino acid sequence identity to CrTPT2. Molecular cloning of a similar transporter (VmTPT2) from Vinca minor was carried out and expressed in a yeast heterologous system for transport experiments and functional characterization. In planta studies involved transcript expression analysis of the early MIA biosynthetic gene VmTDC and putative transporter VmTPT2, and alkaloid profile analyses. RT-qPCR results showed that VmTPT2 expression increased 15-fold between the first two leaf pairs, and high levels were maintained across older leaves. The alkaloid accumulation profile on leaf surfaces matched that of VmTPT2 expression, especially for the MIAs vincadifformine and vincamine. Gene expression and alkaloid profile analyses suggest that the functional protein may act as a similar transporter to CrTPT2. However, although VmTPT2 had 88.4% identity at the amino acid level to CrTPT2, it displayed an altered expression pattern in planta across developing leaves, and functional characterization using a previously developed yeast heterologous system was unsuccessful due to difficulties with reproducibility of transport assays.

Investigating the Biological Effects of Rosemary (Rosmarinus officinalis L.) Extract on Skeletal Muscle Glucose Uptake

Skeletal muscle (SKM) is the most important tissue in maintaining glucose homeostasis and impairments in this tissue leads to insulin resistance (IR). Activation of 5’ AMP-activated kinase (AMPK) is viewed as a targeted approach to counteract IR. Rosemary extract (RE) has been reported to decrease blood glucose levels but its effects on SKM are not known. We hypothesized that RE acts directly on SKM to increase glucose uptake (GU). We found an increase in GU (184±5.07% of control, p<0.001) in L6 myotubes by RE to levels similar to insulin and metformin. Carnosic acid (CA) and rosmarinic acid (RA), major polyphenols found in RE, increased GU. RE, CA, and RA significantly increased AMPK phosphorylation and their effects on GU was reduced by an AMPK inhibitor. Our study is the first to show a direct effect of RE, CA and RA on SKM GU by a mechanism that involves AMPK activation.

Investigation of the Biological Effects of Rosemary (Rosmarinus Officinalis L.) Extract in Human Lung Cancer Cells

Cancer cells display enhanced growth rates and a resistance to apoptosis. Lung cancer accounts for the most cancer related deaths and non-small cell lung cancer (NSCLC) represents an aggressive form of lung cancer, accounting for almost 80% of all lung cancer cases. The phytochemical rosemary extract (RE) has been reported to have anticancer effects in vitro and in vivo however, limited evidence exists regarding the effects of RE and its polyphenolic constituents carnosic acid (CA) and rosmarinic acid (RA) in lung cancer. The present study shows RE, CA and RA inhibit lung cancer cell proliferation and survival in various NSCLC cell lines and that CA and RA interact synergistically to inhibit cell proliferation. Moreover RE, CA and RA are capable of altering activation and/or expression of Akt, ERK and AMPK, signaling molecules which regulate cell proliferation and survival. RE shows potential as an anticancer agent and should be further investigated.

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.

Synthèse stéréosélective de motifs polypropionates via la chimie des radicaux : application à l'élaboration de l'hémisphère ouest de la narasine

Cet ouvrage traite principalement de la synthèse de motifs polypropionates de type stéréopentade ainsi qu’une application à la synthèse d’une molécule naturelle possèdant des propriétés biologiques. La stratégie envisagée pour l’élaboration de ces motifs récurrents dans plusieurs structures d’origine naturelle fait appel à la chimie des radicaux. Cette thèse se divise en différents chapitres dans lesquels la versatilité de la méthodologie développée sera démontrée. En premier lieu, il sera question de présenter l’importance de la synthèse de motifs polypropionates. Le domaine couvert par la chimie de ces molécules complexes hautement fonctionnalisées a contribué énormément à l’avancement de nos connaissances en synthèse organique, particulièrement dans le contexte des réactions impliquant des molécules acyliques. Une brève description des méthodes connues est présentée afin de saisir l’étendue des défis restants pour construire efficacement tous les isomères possibles des polypropionates de type stéréopentade. La stratégie proposée est basée sur une approche contrôlée entièrement par le substrat. Ce contrôle s’appuie sur le choix judicieux de l’acide de Lewis activant les deux réactions impliquées, soit la réaction de Mukaiyama et le transfert d’hydrogène. La seconde section de cette thèse concerne principalement le développement d’une réaction de Mukaiyama impliquant un éther d’énol silylé portant un lien pouvant être homolytiquement brisé dans la réaction suivante et un aldéhyde de type propionate. Le contrôle de l’aldolisation provient de la nature de l’acide de Lewis. Une espèce monodentate (BF3·OEt2) génère une relation 3,4-syn selon le modèle dit Felkin-Anh tandis que les acides de Lewis bidentates mènent à la relation 3,4-anti via un état de transition définit comme Cram-chélate. Une optimisation des conditions réactionnelles en variant l’acidité et la stoechiométrie de l’acide de Lewis de titane a permis de construire diastéréosélectivement le produit de Mukaiyama ayant une relation 3,4-anti. En outre, la nature des complexes impliqués dans ces réactions a été élucidée par des études RMN 13C à basse température. Une fois les précurseurs radicalaires synthétisés, notre méthodologie de réduction par transfert d’hydrogène contrôlée également par les acides de Lewis s’avère très efficace. Les acides de Lewis dérivés d’aluminium mènent sélectivement à la relation 2,3-syn selon un contrôle endocyclique tandis que les acides de Lewis de bore permettent la création des relations 2,3-anti en se basant sur une stabilisation par les divers facteurs de contrôle de molécules acycliques. Cette stratégie novatrice nous a ainsi permis de construire efficacement les 16 diastéréoisomères possibles. Le chapitre suivant concerne l’application de cette méthodologie à la synthèse de l’hémisphère ouest de la salinomycine et de la narasine. Plusieurs défis synthétiques ont été relevés à cette occasion par la présence de nombreux centres stéréogènes contigus. Nous avons réalisé que la relation stéréochimique 2,3-anti de la salinomycine n’est pas accessible sélectivement par la chimie des radicaux via l’effet exocyclique. Des études ont été entreprises afin de comprendre cette perte de sélectivité. Les conclusions suggèrent que les substituants sur le cycle imposent un biais conformationnel conduisant à des faibles sélectivités. Une alternative utilisant un réactif de crotylsilane chiral a été développée pour arriver à la molécule cible. Cette situation est différente dans le cas de la narasine où la présence du méthyle sur le carbone en position β du radical bloque efficacement l’approche d’une des faces d’attaque par l’hydrure. Des sélectivités impressionnantes nous ont permis de construire le fragment C1-C9 de la narasine de manière expéditive et efficace. Finalement, l’élongation sélective utilisant à nouveau la séquence d’aldolisation de Mukaiyama/réduction radicalaire suivie d’un couplage de type aldol stéréosélectif conduit au fragment C1-C17 de la narasine (hémisphère ouest)en 19 étapes avec un rendement global de l’ordre de 7 %. En dernier lieu, nous nous sommes penchés sur la réactivité des α-bromo-β- alkoxycétones lors de transfert d’hydrogène. Nous avons découvert que la chimie de ces derniers pourrait s’avérer utile dans le contexte de la synthèse de motifs complexes polypropionates. La présence d’un centre stéréogène de l’autre coté de la cétone semble avoir un impact sur la sélectivité.

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.

Modification d'acides biliaires à l'aide de polymères pour en moduler les propriétés d'agrégation

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Régulation de l'activité transcriptionnelle du récepteur nucléaire FXR par la ghréline et les modifications post-traductionnelles

Le récepteur X des farnésoïdes (FXR) fait partie de la superfamille des récepteurs nucléaires et agit comme un facteur de transcription suite à la liaison d’un ligand spécifique. Le récepteur FXR, activé par les acides biliaires, joue un rôle essentiel dans le métabolisme des lipides et du glucose en plus de réguler l’homéostasie des acides biliaires. Notre laboratoire a récemment mis en évidence une nouvelle voie de régulation du récepteur PPARγ en réponse au récepteur de la ghréline. En effet, la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de PPARγ via une cascade de signalisation impliquant les kinases Erk1/2 et Akt, supportant un rôle périphérique de la ghréline dans les pathologies associées au syndrome métabolique. Il est de plus en plus reconnu que la cascade métabolique impliquant PPARγ fait également intervenir un autre récepteur nucléaire, FXR. Dans ce travail, nous montrons que la ghréline induit l’activation transcriptionnelle de FXR de manière dose-dépendante et induit également la phosphorylation du récepteur sur ses résidus sérine. En utilisant des constructions tronquées ABC et CDEF de FXR, nous avons démontré que la ghréline régule l’activité de FXR via les domaines d’activation AF-1 et AF-2. L’effet de la ghréline et du ligand sélectif GW4064 sur l’induction de FXR est additif. De plus, nous avons démontré que FXR est la cible d’une autre modification post-traductionnelle, soit la sumoylation. En effet, FXR est un substrat cellulaire des protéines SUMO-1 et SUMO-3 et la sumoylation du récepteur est ligand-indépendante. SUMO-1 et SUMO-3 induisent l’activation transcriptionnelle de FXR de façon dose-dépendante. Nos résultats indiquent que la lysine 122 est le site prédominant de sumoylation par SUMO-1, quoiqu’un mécanisme de coopération semble exister entre les différents sites de sumoylation de FXR. Avec son rôle émergeant dans plusieurs voies du métabolisme lipidique, l’identification de modulateurs de FXR s’avère être une approche fort prometteuse pour faire face à plusieurs pathologies associées au syndrome métabolique et au diabète de type 2.

Rôle des récepteurs glutamatergiques dans l'activité épileptiforme des interneurones inhibiteurs de l'hippocampe

Les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (TLE) ainsi que les rats injectés à l'acide kaïnique (KA) exhibent des patrons pathophysiologiques similaires de crises, de sclérose de l'hippocampe et de perte de certains types neuronaux. Parmi les cellules atteintes dans le modèle KA du TLE on retrouve certains interneurones inhibiteurs du CA1. En effet, certains interneurones des couches oriens et alveus (O/A-IN) meurent suite à une injection de KA chez le rat, contrairement aux interneurones à la bordure des couches radiatum et lacunosum/moleculare (R/LM-IN) de la même région. Bien que cette perte soit empêchée par des antagonistes des récepteurs glutamatergiques métabotropes de groupe I (mGluR1/5), la cause de cette perte sélective des O/A-INs reste à être précisée. Au cours des travaux de cette thèse, nous avons effectué des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule-entière en modes courant- et voltage-imposé couplés à l'imagerie calcique pour étudier les causes de la vulnérabilité sélective des O/A-INs dans ce modèle. Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d'une application aiguë de KA sur les propriétés membranaires et calciques pour voir s'il y avait des différences entre les O/A-INs et R/LM-INs qui pourraient expliquer la vulnérabilité. Nos résultats montrent que les dépolarisations et variations de résistance d'entrée ainsi que les augmentations de calcium intracellulaire, dépendantes principalement des récepteurs -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA), sont similaires entre les deux types d'interneurones suite à des applications aigües de KA. Ceci indique que l'effet aigu du KA sur les interneurones ne serait pas la cause de la vulnérabilité des O/A-INs. Dans un second temps nous avons comparé l'implication des sous-types de récepteurs mGluR1 et 5 dans l'activité épileptiforme des deux types d'interneurones évoquée dans un modèle de tranche désinhibée. Dans ce cas, nos données montrent un rôle important des mGluR1 et 5 activés synaptiquement lors des décharges épileptiformes et ce, de manière spécifique aux O/A-INs. Les courants synaptiques sous-tendant ces décharges impliquent des récepteurs ionotropes et métabotropes du glutamate. En présence d'antagonistes des récepteurs ionotropes glutamatergiques, les courants synaptiques sont biphasiques et formés de composantes rapide et lente. Les récepteurs mGluR1 et 5 sont différemment impliqués dans ces composantes: les mGluR5 étant impliqués dans les composantes rapide et lente, et les mGluR1 que dans la composante lente. Ces résultats indiquent que les mGluR1 et 5 contribuent différemment à l'activité épileptiforme, et spécifiquement dans les O/A-INs, et pourraient donc être impliqués dans la vulnérabilité sélective de ces interneurones dans le modèle KA.