The influence of water on the glucose affinity of hexokinase

In the present thesis, the role of hydration during the glucose induced conformational change of hexokinase is investigated. This is accomplished by applying the osmotic stress technique. The osmotic stress technique is founded on varying of the activity of water in a system in order to determine ifs effects. This is accomplished by adding inert solute molecules that are excluded from the system under study. The solute molecules used within the present investigation are Polyethylene glycols (PEGs). PEGs aid in the removal of water from hexokinase by exerting osmotic pressure. The osmotic pressures of the PEG solutions are also measured with both vapour pressure osmometry and secondary osmometry with phospholipids. An interesting discovery is made in that the osmotic pressures of PEG and co-solute solutions are non-additive. This indicates that PEG concentrates co-solutes in solution by making a certain proportion of the water inaccessible. Glucose binding was measured fluorometrically and the glucose equilibrium dissociation constant (GEDC) of hexokinase is measured in solutions containing the different MW PEGs. Changes in the sensitivity of the glucose affinity with osmotic pressure allows the calculation of the change in the numbers of polymer-inaccessible water molecules upon the binding of glucose to hexokinase ~Nw. It was determined the ~Nw decreases with increases in osmotic pressure in the presence of all MW PEGs. ~Nw decreases from values between 45-290 water molecules at low pressure to approximately 15 at high pressure. There is also a molecular weight dependence observed. There are large decreases in ~Nw with osmotic pressure in the presence of PEGs above MW 1000. However, below MW 1500 changes in ~Nw with osmotic pressure are relatively small. These findings are interpreted with respect to two possible mechanisms involving changes in the conformation of hexokinase u~der osmotic pressure and the access of the PEG molecules to water surrounding hexokinase.

The utility of sedimentary diatoms as a measure of historical lake ph

As a result of increased acid precipitation, the pH of a large number of Canadian Shield lakes has been falling. Prior to this study there was no documentation available to explain the history of lake acidification for the Algoma area lakes. In order to obtain this information the diatom inferred pH technique was developed in this study. During two field seasons, July 1981 and July 1982, short sediment cores (circa 25-30 cm) were collected from 28 study lakes located north of Lake Superior, District Algoma, Ontario. The surface sediment diatoms (0-1 cm) from each of these lakes were carefully identified, enumerated, and classified in terms of their pH indicator status. The surface sediment diatom analysis indicated that lake pH is one of the most important factors affecting the species composition and relative abundance of diatom populations. Thus diatom assemblages can be sensitive indicators of lake acidification. When Nygaard's index alpha was plotted against observed lake pH, a statistically significant relationship resulted (r=-0.89; p=acidic (pH <5.6) for the last 200 years. It appears that the recent increase in acid precipitation 3 over the last 30 years has not altered the water pH compared to the lake's pH history. However, the paleo-pH study of another acidic lake (Lake CS) indicated that its pH has significantl}* dropped over the last 30 years . During this time the Lake CS pH has dropped almost 2 pH units (7.1 to 5.2). The other two lakes studied for downcore pH were circumneutral in nature . One of these lakes (Lake U3) displayed a relatively stable pH history while the other lake (Lake WI) displayed significant pH fluctuations over post-Ambrosia time. The variable pH history of Lake WI was probably associated with the Algoma sintering plant plume and forest fires. A significant relationship between surface sediment diatoms and observed lake pH and secondly a statistically significant relationship between index alpha and observed pH suggested that diatoms are one of the best indicators of lake pH. Thus diatom inferred pH technique has great potential in explaining the rate of lake acidification.

The effects of gramicidin on the structure of phospholipid assemblies /

Gramicidin is an antibiotic peptide that can be incorporated into the monolayers of cell membranes. Dimerization through hydrogen bonding between gramicidin monomers in opposing leaflets of the membrane results in the formation of an iontophoretic channel. Surrounding phospholipids, with various associated mechanical properties, have been shown to influence the gating properties of this channel. Conversely, gramicidin incorporation has been shown to affect the structure of spontaneously formed lipid assemblies. Using small-angle x-ray diffraction and model systems composed of phospholipids and gramicidin, the physical effects incurred by gramicidin incorporation were measured. The reverse hexagonal (H^) phase composed of dioleoylphosphatidylethanolamine (DOPE) monolayers decreased in lattice dimension with increasing incorporation of gramicidin. This indicated that gramicidin was adding negative curvature to the monolayers. In this system, gramicidin was measured to have an apparent intrinsic radius of curvature (Rop*™") of -7. 1 A. The addition of up to 4 mol% gramicidin in mixtures with DOPE did not result in the monolayers becoming stiffer, as indicated by unaltered bending moduli for each composition. Dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) alone forms the lamellar (LJ phase when hydrated, but undergoes a transition into the H^ phase when mixed with gramicidin. The lattice repeat dimension decreases systematically with increased gramicidin content. Again, this indicated that gramicidin was adding negative curvature to the monolayers. At 12 mol% gramicidin in mixtures with DOPC, the apparent radius of intrinsic curvature of gramicidin (Rop*"^) was measured to be -7.4 A. This mixture formed monolayers that were very resistant to bending under osmotic pressure, with a measured bending modulus of 1 15 kT. The measurements made in this study demonstrate that peptides are able to modulate the spontaneous curvature and other mechanical properties of phospholipid assemblies.

Elucidation of a mechanism of cell lysis by chorhexidine : a biophysical approach

Chlorhexidine is an effective antiseptic used widely in disinfecting products (hand soap), oral products (mouthwash), and is known to have potential applications in the textile industry. Chlorhexidine has been studied extensively through a biological and biochemical lens, showing evidence that it attacks the semipermeable membrane in bacterial cells. Although extremely lethal to bacterial cells, the present understanding of the exact mode of action of chlorhexidine is incomplete. A biophysical approach has been taken to investigate the potential location of chlorhexidine in the lipid bilayer. Deuterium nuclear magnetic resonance was used to characterize the molecular arrangement of mixed phospholipid/drug formulations. Powder spectra were analyzed using the de-Pake-ing technique, a method capable of extracting both the orientation distribution and the anisotropy distribution functions simultaneously. The results from samples of protonated phospholipids mixed with deuterium-labelled chlorhexidine are compared to those from samples of deuterated phospholipids and protonated chlorhexidine to determine its location in the lipid bilayer. A series of neutron scattering experiments were also conducted to study the biophysical interaction of chlorhexidine with a model phospholipid membrane of DMPC, a common saturated lipid found in bacterial cell membranes. The results found the hexamethylene linker to be located at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer. As drug concentration was increased in samples, a dramatic decrease in bilayer thickness was observed. Differential scanning calorimetry experiments have revealed a depression of the DMPC bilayer gel-to-lamellar phase transition temperature with an increasing drug concentration. The enthalpy of the transition remained the same for all drug concentrations, indicating a strictly drug/headgroup interaction, thus supporting the proposed location of chlorhexidine. In combination, these results lead to the hypothesis that the drug is folded approximately in half on its hexamethylene linker, with the hydrophobic linker at the depth of the glycerol/phosphate region of the lipid bilayer and the hydrophilic chlorophenyl groups located at the lipid headgroup. This arrangement seems to suggest that the drug molecule acts as a wedge to disrupt the bilayer. In vivo, this should make the cell membrane leaky, which is in agreement with a wide range of bacteriological observations.

Tetrathiafulvalene and 2,2'-Bipyridine: Bridging both Worlds in the Pursuit of Novel Molecular Materials

The preparation and characterization of two families of building blocks for molecule-based magnetic and conducting materials are described in three projects. In the first project the synthesis and characterization of three bis-imine ligands LI - L3 is reported. Coordination of LI to a series of metal salts afforded the five novel coordination complexes Sn(L4)C4 (I), [Mn(L4)(u-CI)(CI)(EtOH)h (II), [CU(L4)(u-sal) h(CI04)2 (sal = salicylaldehyde anion) (III), [Fe(Ls)2]CI (IV) and [Fe(LI)h(u-O) (V). All complexes have been structurally and magnetically characterized. X-ray diffraction studies revealed that, upon coordination to Lewis acidic metal salts, the imine bonds of LI are susceptible to nucleophilic attack. As a consequence, the coordination complexes (I) - (IV) contain either the cyclised ligand L4 or hydrolysed ligand Ls. In contrast, the dimeric Fe3+ complex (V) comprises two intact ligand LI molecules. In. this complex, the ligand chelates two Fe(III) centres in a bis-bidentate manner through the lone pairs of a phenoxy oxygen and an imine nitrogen atom. Magnetic studies of complexes (II-V) indicate that the dominant interactions between neighbouring metal centres in all of the complexes are antiferromagnetic. In the second project the synthesis and characterization two families of TTF donors, namely the cyano aryl compounds (VI) - (XI) and the his-aryl TTF derivatives (XII) - (XIV) are reported. The crystal structures of compounds (VI), (VII), (IX) and (XII) exhibit regular stacks comprising of neutral donors. The UV -Vis spectra of compounds (VI) - (XIV) present an leT band, indicative of the transfer of electron density from the TTF donors to the aryl acceptor molecules. Chemical oxidation of donors (VI), (VII), (IX) and (XII) with iodine afforded a series of CT salts that where possible have been characterized by single crystal X -ray diffraction. Structural studies showed that the radical cations in these salts are organized in stacks comprising of dimers of oxidized TTF donors. All four salts behave as semiconductors, displaying room temperature conductivities ranging from 1.852 x 10-7 to 9.620 X 10-3 Scm-I. A second series of CT salts were successfully prepared via the technique of electrocrystallization. Following this methodology, single crystals of two CT salts were obtained. The single crystal X-ray structures of both salts are isostructural, displaying stacks formed by trimers of oxidized donors. Variable temperature conductivity measurements carried out on this series of CT salts reveal they also are semiconductors with conductivities ranging from 2.94 x 10-7 to 1.960 X 10-3 S em-I at room temperature. In the third project the synthesis and characterization of a series of MII(hfac)2 coordination complexes of donor ligand (XII) where M2+ = Co2+, Cu2+, Ni2+ and Zn2+ are reported. These complexes crystallize in a head-to-tail arrangement of TTF donor and bipyridine moieties, placing the metal centres and hfac ligands are located outside the stacks. Magnetic studies of the complexes (XV) - (XVIII) indicate that the bulky hfac ligands prevent neighbouring metal centres from assembling in close proximity, and thus they are magnetically isolated.

(A) BODIPY as a versatile fluorophore (B) Synthesis of PNAs via Staudinger reaction

(A) In recent years, 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene (BODIPY) fluorophores have attracted considerable interest due to their unique photochemical properties. However detailed studies on the stability of BODIPY and analogues under acidic and basic conditions have been lacking. Thus the stability of a series of BODIPY analogues in acidic (di- and trichloroacetic acid) and basic (aqueous ammonium hydroxide) conditions was investigated using 11B NMR spectroscopy. Among the analogues tested, 4,4-diphenyl BODIPY was the most stable under the conditions used in the experiments. It was found that reaction of 4,4-dimethoxy BODIPY with dichloroacetic acid gave mixed anhydride 4,4-bis(dichloroacetoxy) BODIPY in good yields. Treatment of the latter mixed anhydride with alcohols such as methanol and ethanol in the presence of a base afforded corresponding borate esters, whereas treatment with 1,2-diols such as ethylene glycol and catechol in the presence of a base gave corresponding cyclic borate esters. Furthermore treatment of 4,4-difluoro-8-methyl-BODIPY with secondary amines in dihalomethane resulted in carbon–carbon bond formation at the meso-methyl position of BODIPY via Mannich-type reactions. The resulting modified BODIPY fluorophores possess high fluorescent quantum yields. Five BODIPY analogues bearing potential ion-binding moieties were synthesized via this Mannich-type reaction. Among these, the BODIPY bearing an aza-18-crown-5 tether was found to be selective towards copper (II) ion, resulting in a large blue shift in absorption and sharp fluorescent quenching, whereas aza-15-crown-4 analogue was selected towards fluoride ion, leading to effective florescent quenching and blue shift. (B) Peptide nucleic acids (PNA), as mimics of natural nucleic acids, have been widely applied in molecular biology and biotechnology. Currently, the preparation of PNA oligomers is commonly achieved by a coupling reaction between carboxyl and amino groups in the presence of an activator. In this thesis attempts were made towards the synthesis of PNA through the Staudinger ligation reactions between C-terminal diphenylphosphinomethanethiol thioesters and N-terminal α-azido PNA building blocks.

alpha-Tocopherol's Antioxidant Role: A Biophysical Perspective

I present evidence of an antioxidant mechanism for vitamin E that correlates strongly with its physical location in a model lipid bilayer. These data address the overlooked problem of the physical distance between the vitamin's reducing hydrogen and lipid acyl chain radicals. The combined data from neutron diffraction, NMR and UV spectroscopy experiments, all suggest that reduction of reactive oxygen species and lipid radicals occurs specifically at the membrane's hydrophobic-hydrophilic interface. The latter is possible when the acyl chain adopts conformations in which they snorkel to the interface from the hydrocarbon matrix. Moreover, not all model lipids are equal in this regard, as indicated by the small differences in the vitamin's location. The present result is a clear example of the importance of lipid diversity in controlling the dynamic structural properties of biological membranes. Importantly, these results suggest that measurements of alpha-tocopherol oxidation kinetics, and its products, should be revisited by taking into consideration the physical properties of the membrane in which the vitamin resides.

The Fast Regulation of Photosynthesis in Diatoms: an inquiry into the physiological and physical origins of non-photochemical chlorophyll fluorescence quenching.

Diatoms are renowned for their robust ability to perform NPQ (Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence) as a dissipative response to heightened light stress on photosystem II, plausibly explaining their dominance over other algal groups in turbulent light environs. Their NPQ mechanism has been principally attributed to a xanthophyll cycle involving the lumenal pH regulated reversible de-epoxidation of diadinoxanthin. The principal goal of this dissertation is to reveal the physiological and physical origins and consequences of the NPQ response in diatoms during short-term transitions to excessive irradiation. The investigation involves diatom species from different originating light environs to highlight the diversity of diatom NPQ and to facilitate the detection of core mechanisms common among the diatoms as a group. A chiefly spectroscopic approach was used to investigate NPQ in diatom cells. Prime methodologies include: the real time monitoring of PSII excitation and de-excitation pathways via PAM fluorometry and pigment interconversion via transient absorbance measurements, the collection of cryogenic absorbance spectra to measure pigment energy levels, and the collection of cryogenic fluorescence spectra and room temperature picosecond time resolved fluorescence decay spectra to study excitation energy transfer and dissipation. Chemical inhibitors that target the trans-thylakoid pH gradient, the enzyme responsible for diadinoxanthin de-epoxidation, and photosynthetic electron flow were additionally used to experimentally manipulate the NPQ response. Multifaceted analyses of the NPQ responses from two previously un-photosynthetically characterised species, Nitzschia curvilineata and Navicula sp., were used to identify an excitation pressure relief ‘strategy’ for each species. Three key areas of NPQ were examined: (i) the NPQ activation/deactivation processes, (ii) how NPQ affects the collection, dissipation, and usage of absorbed light energy, and (iii) the interdependence of NPQ and photosynthetic electron flow. It was found that Nitzschia cells regulate excitation pressure via performing a high amplitude, reversible antenna based quenching which is dependent on the de-epoxidation of diadinoxanthin. In Navicula cells excitation pressure could be effectively regulated solely within the PSII reaction centre, whilst antenna based, diadinoxanthin de-epoxidation dependent quenching was implicated to be used as a supplemental, long-lasting source of excitation energy dissipation. These strategies for excitation balance were discussed in the context of resource partitioning under these species’ originating light climates. A more detailed investigation of the NPQ response in Nitzschia was used to develop a comprehensive model describing the mechanism for antenna centred non-photochemical quenching in this species. The experimental evidence was strongly supportive of a mechanism whereby: an acidic lumen triggers the diadinoxanthin de-epoxidation and protonation mediated aggregation of light harvesting complexes leading to the formation of quencher chlorophyll a-chlorophyll a dimers with short-lived excited states; quenching relaxes when a rise in lumen pH triggers the dispersal of light harvesting complex aggregates via deprotonation events and the input of diadinoxanthin. This model may also be applicable for describing antenna based NPQ in other diatom species.

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

Systèmes vésiculaires colloïdaux pour la vectorisation de la 1-β-D-arabinofuranosylcytosine

La 1-β-D-arabinofuranosylcytosine (ara-C) demeure l’agent anticancéreux principalement utilisé dans le traitement de la leucémie myéloblastique aiguë (LMA), malgré sa dégradation et son élimination rapide après une administration parentérale. Son encapsulation dans des vecteurs pharmaceutiques, majoritairement des liposomes, a permis de surmonter ces inconvénients. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer deux systèmes à libération prolongée, à base de phospholipides, de cholestérol et de poly(éthylène glycol) (PEG) afin d’encapsuler l’ara-C et ultimement, d’améliorer son efficacité dans le traitement de la LMA. Des Sphérulites® (vésicules multilamellaires d’un type particulier) ont d’abord été étudiées pour leur forte capacité d’encapsulation, due à leur mode de préparation. Par la suite, une formulation liposomale capable, d’une part de cibler spécifiquement les cellules leucémiques et, d’autre part, de promouvoir la libération intracellulaire de l’ara-C grâce à sa sensibilité au pH, a été mise au point. Les deux formulations se devaient d’avoir un faible diamètre, une stabilité en présence de fluides biologiques et des temps de circulation prolongés chez l’animal. Une préparation de Sphérulites®, composée de Phospholipon 90G, de Solutol HS15 et de cholestérol, a permis d’obtenir des vésicules de 300 nm de diamètre. Un dérivé lipidique de PEG a pu être fixé à leur surface, sans modifier la disposition concentrique des lamelles, ni changer leur stabilité. Les Sphérulites® PEGylées ont été chargées d’ara-C et injectées chez le rat par la voie intraveineuse. Elles ont démontré des temps de circulation significativement prolongés comparativement aux Sphérulites® sans PEG. Cependant, l’ara-C s’est retrouvée éliminée de la circulation sanguine très rapidement, révélant une libération précoce du principe actif à partir de ces vésicules. Les liposomes sensibles au pH (~150 nm) ont été obtenus suite à l’insertion d’un copolymère à base de dioctadécyle, de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et d’acide méthacrylique. L’anticorps anti-CD33, soit complet soit son fragment Fab’, a été fixé à la surface des liposomes afin de cibler les cellules leucémiques. Les essais in vitro ont démontré la spécificité de la formulation pour différentes cellules leucémiques (CD33+), sa stabilité en présence de protéines plasmatiques et la libération intracellulaire d’un marqueur fluorescent et de l’ara-C. Enfin, des études menées chez la souris saine et immunodéprimée inoculée de cellules HL60 ont montré que la formulation exposant le fragment Fab’ possédait un profil pharmacocinétique et une biodistribution semblables à ceux des liposomes contrôles non-ciblés. L’encapsulation de l’ara-C a permis d’améliorer grandement ses temps de circulation après une administration intraveineuse. Cependant, bien que les immunoliposomes ont permis de prolonger la survie des souris leucémiques comparativement à l’ara-C libre, l’addition du polymère sensible au pH n’a pas permis d’apporter de réel avantage à la formulation lorsque administrée in vivo. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ont, dans un premier temps, mis en évidence que les Sphérulites® pourraient s’avérer utiles dans la vectorisation d’agents anticancéreux si leur capacité à retenir le principe actif in vivo était améliorée. Dans un second temps, les données présentées avec les immunoliposomes suggèrent qu’ils pourraient apporter un bénéfice notable dans le traitement de la LMA.

Identification des réseaux transcriptionnnels de résistance aux antifongiques chez Candida albicans

Plusieurs souches cliniques de Candida albicans résistantes aux médicaments antifongiques azolés surexpriment des gènes encodant des effecteurs de la résistance appartenant à deux classes fonctionnelles : i) des transporteurs expulsant les azoles, CDR1, CDR2 et MDR1 et ii) la cible des azoles 14-lanostérol déméthylase encodée par ERG11. La surexpression de ces gènes est due à la sélection de mutations activatrices dans des facteurs de transcription à doigts de zinc de la famille zinc cluster (Zn2Cys6) qui contrôlent leur expression : Tac1p (Transcriptional activator of CDR genes 1) contrôlant l’expression de CDR1 et CDR2, Mrr1p (Multidrug resistance regulator 1), régulant celle de MDR1 et Upc2p (Uptake control 2), contrôlant celle d’ERG11. Un autre effecteur de la résistance clinique aux azoles est PDR16, encodant une transférase de phospholipides, dont la surexpression accompagne souvent celle de CDR1 et CDR2, suggérant que les trois gènes appartiennent au même régulon, potentiellement celui de Tac1p. De plus, la régulation transcriptionnelle du gène MDR1 ne dépend pas seulement de Mrr1p, mais aussi du facteur de transcription de la famille basic-leucine zipper Cap1p (Candida activator protein 1), un régulateur majeur de la réponse au stress oxydatif chez C. albicans qui, lorsque muté, induit une surexpression constitutive de MDR1 conférant la résistance aux azoles. Ces observations suggèrent qu’un réseau de régulation transcriptionnelle complexe contrôle le processus de résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans. L’objectif de mon projet au doctorat était d’identifier les cibles transcriptionnelles directes des facteurs de transcription Tac1p, Upc2p et Cap1p, en me servant d’approches génétiques et de génomique fonctionnelle, afin de i) caractériser leur réseau transcriptionnel et les modules transcriptionnels qui sont sous leur contrôle direct, et ii) d’inférer leurs fonctions biologiques et ainsi mieux comprendre leur rôle dans la résistance aux azoles. Dans un premier volet, j’ai démontré, par des expériences de génétique, que Tac1p contrôle non seulement la surexpression de CDR1 et CDR2 mais aussi celle de PDR16. Mes résultats ont identifié une nouvelle mutation activatrice de Tac1p (N972D) et ont révélé la participation d’un autre régulateur dans le contrôle transcriptionnel de CDR1 et PDR16 dont l’identité est encore inconnue. Une combinaison d’expériences de transcriptomique et d’immunoprécipitation de la chromatine couplée à l’hybridation sur des biopuces à ADN (ChIP-chip) m’a permis d’identifier plusieurs gènes dont l’expression est contrôlée in vivo et directement par Tac1p (PDR16, CDR1, CDR2, ERG2, autres), Upc2p (ERG11, ERG2, MDR1, CDR1, autres) et Cap1p (MDR1, GCY1, GLR1, autres). Ces expériences ont révélé qu’Upc2p ne contrôle pas seulement l’expression d’ERG11, mais aussi celle de MDR1 et CDR1. Plusieurs nouvelles propriétés fonctionnelles de ces régulateurs ont été caractérisées, notamment la liaison in vivo de Tac1p aux promoteurs de ses cibles de façon constitutive et indépendamment de son état d’activation, et la liaison de Cap1p non seulement à la région du promoteur de ses cibles, mais aussi celle couvrant le cadre de lecture ouvert et le terminateur transcriptionnel putatif, suggérant une interaction physique avec la machinerie de la transcription. La caractérisation du réseau transcriptionnel a révélé une interaction fonctionnnelle entre ces différents facteurs, notamment Cap1p et Mrr1p, et a permis d’inférer des fonctions biologiques potentielles pour Tac1p (trafic et la mobilisation des lipides, réponse au stress oxydatif et osmotique) et confirmer ou proposer d’autres fonctions pour Upc2p (métabolisme des stérols) et Cap1p (réponse au stress oxydatif, métabolisme des sources d’azote, transport des phospholipides). Mes études suggèrent que la résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans est intimement liée au métabolisme des lipides membranaires et à la réponse au stress oxydatif.

Mesure de la concentration en métaux traces dans la solution de sol par microlysimétrie

La présente étude porte sur l’évaluation d’une méthode d’acquisition de la solution de sol présente à l’interface sol-racine, dans la rhizosphère. Cette interface constitue le lieu privilégié de prise en charge par les plantes des contaminants, tels que les métaux traces. Comme les plantes acquièrent ces éléments à partir de la phase liquide, la solution de sol de la rhizosphère est une composante clé pour déterminer la fraction de métaux traces biodisponibles. La microlysimétrie est la méthode in situ la plus appropriée pour aborder les difficultés liées à l’échelle microscopique de la rhizosphère. Ainsi, dans les études sur la biodisponibilité des métaux traces au niveau de la rhizosphère, les microlysimètres (Rhizon©) gagnent en popularité sans, toutefois, avoir fait l’objet d’études exhaustives. L’objectif de cette étude est donc d’évaluer la capacité de ces microlysimètres à préserver l’intégrité chimique de la solution, tout en optimisant leur utilisation. Pour ce faire, les microlysimètres ont été soumis à une série d’expériences en présence de solutions et de sols, où la quantité de solution prélevée et le comportement des métaux traces (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) ont été étudiés. Les résultats montrent que les microlysimètres fonctionnent de façon optimale lorsque le contenu en eau du sol est au-dessus de la capacité au champ et lorsqu’il y a peu de matière organique et d’argile. Les sols sableux ayant un faible contenu en C organique reproduisent mieux le volume prélevé et la solution sous la capacité au champ peut être récoltée. L’utilisation des microlysimètres dans ces sols est donc optimale. Dans les essais en solution, les microlysimètres ont atteint un équilibre avec la solution après 10 h de prélèvement. En respectant ce délai et les conditions optimales préalablement établies (pH acide et COD élevé), les microlysimètres préservent la composition chimique de la solution. Dans les essais en sol, cet équilibre n’a pas été atteint après dix jours et huit prélèvements. Le contenu en matière organique et l’activité microbienne semblent responsables de la modification des concentrations en métaux au cours de ces prélèvements, notamment, dans l’horizon FH où les microlysimètres performent très mal. En revanche, dans l’horizon B, les concentrations tendent à se stabiliser vers la fin de la série de prélèvements en se rapprochant des valeurs de référence. Bien que des valeurs plus élevées s’observent pour les microlysimètres, leurs concentrations en métaux sont comparables à celles des méthodes de référence (extrait à l’eau, lysimètres de terrain avec et sans tension). En somme, les microlysimètres se comportent généralement mieux dans l’horizon B. Même si leur utilisation est plus optimale dans un sol sableux, cet horizon est privilégié pour de futures études sur le terrain avec les microlysimètres.

Mécanismes d'activation de la voie lysosomale durant l'apoptose chimio-induite

L’apoptose est une forme de mort cellulaire essentielle au développement et au maintien de l’homéostase chez les animaux multicellulaires. La machinerie apoptotiq ue requiert la participation des caspases, des protéases conservées dans l’évolution et celle des organelles cytoplasmiques. Les lysosomes subissent des ruptures partielles, labilisation de la membrane lysosomale (LML), qui entraînent l’activation des cathepsines dans le cytoplasme de cellules cancéreuses humaines en apoptose induite par la camptothecin (CPT), incluant les histiocytes humains U-937. Ces modifications lysosomales se manifestent tôt durant l’activation de l’apoptose, concomitamment avec la perméabilisation de la mitochondrie et l’activation des caspases. Une étude protéomique quantitative et comparative a permis d’identifier des changements précoces dans l’expression/localisation de protéines lysosomales de cellules U-937 en apoptose. Lors de deux expériences indépendantes, sur plus de 538 protéines lysosomales identifiées et quantifiées grâce au marquage isobarique iTRAQ et LC-ESIMS/ MS, 18 protéines augmentent et 9 diminuent dans les lysosomes purifiés de cellules en cours d’apoptose comparativement aux cellules contrôles. Les candidats validés par immuno-buvardage et microscopie confocale incluent le stérol-4-alpha-carboxylate 3- déhydrogénase, le prosaposin et la protéine kinase C delta (PKC-d). Des expériences fonctionnelles ont démontrées que la translocation de PKC-d aux lysosomes est requise pour la LML puisque la réduction de son expression par ARN interférents ou l’inhibition de son activité à l’aide du rottlerin empêche la LML lors de l’apoptose induite par la CPT. La translocation de PKC-d aux lysosomes conduit à la phosphorylation et l’activation de la sphingomyelinase acide lysosomale (ASM), et à l’accroissement subséquent du contenu en céramide (CER) à la membrane lysosomale. Cette accumulation de CER endogène aux lysosomes est un évènement critique pour la LML induite par la CPT car l’inhibition de l’activité de PKC-d ou de ASM diminue la formation de CER et la LML.Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel la PKC-d active l’ASM qui conduit à son tour à l’accumulation de CER à la membrane lysosomale et déclenche la LML et l’activation de la voie lysosomale de l’apoptose induite par la CPT. En somme, ce mécanisme confirme l’importance du métabolisme des sphingolipides dans l’activation de la voie lysosomale de l’apoptose.

Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Les voies de signalisation utérines à l'émergence de la diapause embryonnaire chez le vison américain

La diapause embryonnaire se manifeste par un arrêt réversible du développement embryonnaire durant la période de préimplantation et induit un retard de l’implantation. Chez le vison américain, une diapause embryonnaire obligatoire caractérise chaque gestation. Si les mécanismes de contrôle de la diapause embryonnaire obligatoire chez cette espèce sont bien connus, le rôle utérin impliqué dans la réactivation de l’embryon demeure, quant à lui, encore inconnu. Le sujet de ce doctorat a consisté dans un premier temps à explorer l’environnement utérin à la sortie de la diapause embryonnaire afin de caractériser, dans un deuxième temps, les principaux acteurs utérins qui provoquent la réactivation de l’embryon. Nous avons effectué une analyse du transcriptome utérin à l’émergence de la diapause embryonnaire ce qui a permis de construire une librairie de 123 séquences d’ADNc utérines différentiellement exprimées à la réactivation de l’embryon et homologues à des séquences de gènes connues chez d’autres espèces. Ces gènes sont impliqués dans la régulation du métabolisme (25 %), de l’expression génique (21 %), de la transduction de signal (15 %), du cycle cellulaire (15 %), du transport (10 %) et de la structure cellulaire (9 %), reflétant ainsi d’importantes modifications utérines à la réactivation embryonnaire. Nous avons validé l’expression différentielle de dix gènes ainsi identifiés : GDF3 (growth and differentiation 3), ALCAM (activated leukocyte cell adhesion molecule), ADIPOR1 (adiponectin receptor 1), HMGN1 (high mobility group N1), TXNL1 (thioredoxin like 1), TGM2 (tissue transglutaminase 2), SPARC (secreted protein acidic rich in cystein), et trois gènes codant pour AZIN1 (antizyme inhibitor 1), ODC1 (ornithine decarboxylase 1) et SAT1 (spermidine/spermine N1-acetyltransferase), des enzymes impliquées dans la biosynthèse des polyamines. Le patron de l’expression spatio-temporel de SPARC et d’HMGN1 illustrent spécifiquement un remodelage tissulaire et de la chromatine au niveau utérin à la sortie de la diapause embryonnaire. Ayant mesuré une augmentation des concentrations utérines en polyamines à la reprise du développement embryonnaire, nous avons émis l’hypothèse que les polyamines seraient impliquées dans les événements menant à la sortie de la diapause. L’inhibition de la biosynthèse des polyamines par un traitement à l’ α-difluoromethylornithine (DFMO) a provoqué une diminution significative de la proliferation cellulaire dans les embryons à la réactivation, un retard du moment de l’implantation, mais n’a pas affecté le succès de la reproduction. De manière similaire, nous avons induit un état de dormance dans les cellules de trophoblaste de vison en présence DFMO dans le milieu de culture, et constaté que cet état était réversible. En conclusion, cette étude a non seulement ouvert de nouveaux horizons quant à la compréhension du rôle utérin dans les événements menant à la sortie de la diapause embryonnaire, mais a démontré pour la première fois, l’existence de facteurs utérins indispensables à la réactivation de l’embryon: les polyamines.