Detailed analysis and follow-up studies of a high-throughput screening for indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) inhibitors.

Indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) is a key regulator of immune responses and therefore an important therapeutic target for the treatment of diseases that involve pathological immune escape, such as cancer. Here, we describe a robust and sensitive high-throughput screen (HTS) for IDO1 inhibitors using the Prestwick Chemical Library of 1200 FDA-approved drugs and the Maybridge HitFinder Collection of 14,000 small molecules. Of the 60 hits selected for follow-up studies, 14 displayed IC50 values below 20 μM under the secondary assay conditions, and 4 showed an activity in cellular tests. In view of the high attrition rate we used both experimental and computational techniques to identify and to characterize compounds inhibiting IDO1 through unspecific inhibition mechanisms such as chemical reactivity, redox cycling, or aggregation. One specific IDO1 inhibitor scaffold, the imidazole antifungal agents, was chosen for rational structure-based lead optimization, which led to more soluble and smaller compounds with micromolar activity.

Pathophysiological mechanisms of catecholamine and cocaine-mediated cardiotoxicity.

Overactivation of the sympatho-adrenergic system is an essential mechanism providing short-term adaptation to the stressful conditions of critical illnesses. In the same way, the administration of exogenous catecholamines is mandatory to support the failing circulation in acutely ill patients. In contrast to these short-term benefits, prolonged adrenergic stress is detrimental to the cardiovascular system by initiating a series of adverse effects triggering significant cardiotoxicity, whose pathophysiological mechanisms are complex and only partially elucidated. In addition to the development of myocardial oxygen supply/demand imbalance induced by the sustained activation of adrenergic receptors, catecholamines can damage cardiomyocytes by fostering mitochondrial dysfunction, via two main mechanisms. The first one is calcium overload, consecutive to β-adrenergic receptor-mediated activation of protein kinase A and subsequent phosphorylation of multiple Ca(2+)-cycling proteins. The second one is oxidative stress, primarily related to the transformation of catecholamines into "aminochromes," which undergo redox cycling in mitochondria to generate copious amounts of oxygen-derived free radicals. In turn, calcium overload and oxidative stress promote mitochondrial permeability transition and cardiomyocyte cell death, both via the apoptotic and necrotic pathways. Comparable mechanisms of myocardial toxicity, including marked oxidative stress and mitochondrial dysfunction, have been reported with the use of cocaine, a common recreational drug with potent sympathomimetic activity. The aim of the current review is to present in detail the pathophysiological processes underlying the development of catecholamine and cocaine-induced cardiomyopathy, as such conditions may be frequently encountered in the clinical practice of cardiologists and ICU specialists.

Role of glutathione deficit in the disconnectivity syndrome in schizophrenia: from pathogenetic mechanisms to therapeutic interventions

In the cerebrospinal fluid of 26 drug-naive schizophrenics (DSM-III- R), we observed that the level of glutathione ([GSH]) and of its metabolite γ-Glu-Gln was decreased by 27% and 16% respectively. Using a new in-vivo method based on magnetic resonance spec- troscopy, [GSH] was measured in the medial prefrontal cortex of 18 schizophrenics and found to be 52 % lower than in controls (n = 20). This is consistent with the recently observed decreased mRNA levels in fibroblasts of patients (n=32) of the two GSH synthesizing en- zymes (glutathione synthetase (GSS), and glutamate-cysteine ligase M (GCLM) the modulatory subunit of glutamate-cysteine ligase). Moreover, the level of GCLM expression in fibroblasts correlates neg- atively with the psychopathology (positive, general and some nega- tive symptoms). Thus, the observed difference in gene expression is not only the cause of low brain [GSH], but is also related to the sever- ity of symptoms, suggesting that fibroblasts are adequate surrogate for brain tissue. A hypothesis was proposed, based on a central role of GSH in the pathophysiology of schizophrenia. GSH is an important endogenous redox regulator and neuroactive substance. GSH is pro- tecting cells from damage by reactive oxygen species generated, among others, by the metabolism of dopamine. A GSH deficit-in- duced oxidative stress would lead to lipid peroxidation and micro-le- sions in the surrounding of catecholamine terminals, affecting the synaptic contacts on dendritic spines of cortical neurones, where ex- citatory glutamatergic terminals converge with dopaminergic ones. This would lead to spines degeneration and abnormal nervous con- nections or structural disconnectivity, possibly responsible for posi- tive, perceptive and cognitive symptoms of schizophrenia. In addi- tion, a GSH deficit could also lead to a functional disconnectivity by depressing NMDA neurotransmission, in analogy to phencyclidine effects. Present experimental biochemical, cell biological and behav- ioral data are consistent with the proposed mechanism: decreasing pharmacologically [GSH] in experimental models, with or without blocking DA uptake (GBR12909), induces morphological and behav- ioral changes similar to those observed in patients. Dendritic spines: (a) In neuronal cultures, low [GSH] and DA induce decreased density of neural processes; (b) In developing rats (p5-p16), [GSH] deficit and GBR induce a decrease in normal spines in prefrontal pyramids and in GABA-parvalbumine but not of -calretinine immunoreactivity in anterior cingulate. NMDA-dependant synaptic plasticity: GSH deple- I/13 tion in hippocampal slices impairs long-term potentiation. Develop- ing rats with low [GSH] and GBR have deficit in olfactory integration and in object recognition which appears earlier in males than fe- males, in analogy to the delay of the psychosis onset between man and woman. In summary, a deficit of GSH and/or GSH-related enzymes during early development could constitute a major vulnerability fac- tor in schizophrenia.

Mice with chronic GSH deficit display phenotypical anomalies that resemble key aspects of schizophrenia

ABSTRACTSchizophrenia is a major psychiatric disorder occurring with a prevalence of 1% in the worldwide population. It develops progressively with psychosis onset in late adolescence or earlyadulthood. The disorder can take many different facets and has a highly diffuse anddistributed neuropathology including deficits in major neurotransmitter systems,myelination, stress regulation, and metabolism. The delayed onset and the heterogeneouspathology suggest that schizophrenia is a developmental disease that arises from interplayof genetic and environmental factors during sensitive periods. Redox dysregulation due to animbalance between pro-oxidants and antioxidant defence mechanisms is among the riskfactors for schizophrenia. Glutathione (GSH) is the major cellular redox regulator andantioxidant. Levels of GSH are decreased in cerebrospinal fluid, prefrontal cortex and postmortemstriatum of schizophrenia patients. Moreover, polymorphisms of the key GSHsynthesizingenzyme, glutamate-cysteine ligase, modifier (GCLM) subunit, are associatedwith the disease, suggesting that GSH deficit is of genetic origin. Here we used miceknockout (KO) for the GCLM gene, which display chronic GSH deficit (~70 to 80% decrease)to investigate the direct link between redox dysregulation and schizophrenia. Accordingly,we evaluated whether GCLM KO compared to normal wildtype mice display behavioralchanges that relate to schizophrenia symptoms and whether their brains showmorphological, functional or metabolic alterations that resemble those in patients.Moreover, we exposed pubertal GCLM mice to repeated mild stress and measured theirhormonal and behavioral stress reactivity. Our data show that chronic GSH deficit isassociated with altered emotion- and stress-related behaviors, deficient prepulse inhibition,pronounced amphetamine-induced hyperlocomotion but normal spatial learning andworking memory. These changes represent important schizophrenia endophenotypes.Moreover, this particular pattern of change indicates impairment of the ventralhippocampus (VH) and related circuitry as opposed to the dorsal hippocampus (DH), which isimplicated in spatial information processing. This is consistent with a selective deficit ofparvalbumin positive interneurons and gamma oscillation in the VH but not DH. Increasedlevels of circulating stress hormones in KO mice following pubertal stress corroborate VHdysfunction as it is involved in negative feedback control of the stress response. VHstructural and functional deficits are frequently found in the schizophrenic brain. Metabolicevaluation of the developing GCLM KO anterior cortex using in vivo magnetic resonancespectroscopy revealed elevated glutamine (Gln), glutamate (Glu), Gln/Glu and N-acetylaspartate(NAA) during the pre-pubertal period. Similar changes are reported in earlyschizophrenia. Overall, we observe phenotypic anomalies in GSH deficient GCLM KO micethat correspond to major schizophrenia endophenotypes. This supports an important rolefor redox dysregulation in schizophrenia and validates the GCLM KO mouse as model for thedisease. Moreover, our results indicate that puberty may be a sensitive period for redoxsensitivechanges highliting the importance of early intervention. Gln, Gln/Glu, Glu and NAAmay qualify as early metabolic biomarkers to identify young at-risk individuals. Since chronictreatment with NAC normalized most metabolic changes in GCLM KO mice, NAC may be oneadjunct treatment of choice for early intervention in patients.RESUMELa schizophrénie est une maladie psychiatrique majeure avec une prévalence de 1% dans lapopulation. Son développement est progressif, les premières psychoses apparaissant àl'adolescence ou au début de l'âge adulte. La maladie a plusieurs présentations et uneneuropathologie étendue, qui inclut des déficits neurochimiques, métaboliques, de lamyélination et de la régulation du stress. L'émergence tardive et l'hétérogénéité de lapathologie suggèrent que la schizophrénie est une maladie développementale, favorisée pardes facteurs génétiques et environnementaux durant des périodes sensibles. La dérégulationrédox, due à un déséquilibre entre facteurs pro-oxidantes et défenses anti-oxidantes,constitue un facteur de risque. Le glutathion (GSH) est le principal régulateur rédox et antioxidantdes cellules, ses taux sont diminués dans le liquide céphalorachidien, le cortexpréfrontal et le striatum de patients. De plus, des variations du gène codant la sous-unitémodulatrice (GCLM) de la glutamate-cystéine ligase, enzyme de synthèse du GSH, sontassociés la maladie, suggérant que le déficit observé chez les patients est d'originegénétique. Nous avons donc utilisé des souris ayant une délétion du gène GCLM (KO), quiont un déficit chronique en GSH (70-80%), afin d'étudier le lien entre une dérégulation rédoxet la schizophrénie. Nous avons évalué si ces souris présentent des altérationscomportementales analogues aux symptômes de la maladie, et des modificationsstructurelles, fonctionnelles et métaboliques au niveau du cerveau, ressemblant à celles despatients. De plus, nous avons soumis les souris à des stresses modérés durant la puberté,puis mesuré les réponses hormonales et comportementales. Les animaux présentent undéficit pré-attentionnel du traitement des informations moto-sensorielles, un déficit pourcertains apprentissages, une réponse accrue à l'amphétamine, mais leurs mémoires spatialeet de travail sont préservées. Ces atteintes comportementales sont analogues à certainsendophénotypes de la schizophrénie. De plus, ces changements comportementaux sontlargement expliqués par une perturbation morphologique et fonctionnelle de l'hippocampeventral (HV). Ainsi, nous avons observé un déficit sélectif des interneurones immunoréactifsà la parvalbumine et une désynchronisation neuronale dans l'HV. L'hippocampe dorsal,impliqué dans l'orientation spatiale, demeure en revanche intact. L'augmentationd'hormones de stress dans le sang des souris KO suite à un stress prépubertal soutien aussil'hypothèse d'une dysfonction de l'HV, connu pour moduler ce type de réponse. Des déficitsstructurels et fonctionnels dans l'hippocampe antérieur (ventral) ont d'ailleurs été rapportéschez des patients schizophrènes. Par de résonance magnétique, nous avons également suivile profil métabolique du le cortex antérieur au cours du développement postnatal des sourisKO. Ces mesures ont révélé des taux élevés de glutamine (Gln), glutamate (Glu), du ratioGln/Glu, et de N-acétyl-aspartate (NAA) durant la période prépubertale. Des altérationssimilaires sont décrites chez les patients durant la phase précoce. Nous avons donc révélédes anomalies phénotypiques chez les souris GCLM KO qui reflètent certainsendophénotypes de la schizophrénie. Nos résultats appuient donc le rôle d'une dérégulationrédox dans l'émergence de la maladie et le potentiel des souris KO comme modèle. De plus,cette étude met en évidence la puberté comme période particulièrement sensible à unedérégulation rédox, renforçant l'importance d'une intervention thérapeutique précoce. Dansce cadre, Gln, Gln/Glu, Glu and NAA seraient des biomarqueurs clés pour identifier de jeunesindividus à risque. De part son efficacité dans notre modèle, NAC pourrait être unesubstance de choix dans le traitement précoce des patients.

Schizophrénie Étude de corrélation entre des paramètres psychopathologiques et des données génétiques

La schizophrénie est une maladie chronique qui touche 1% de la population mondiale. Elle¦comporte des facteurs de risque génétiques et environnementaux. Leur interaction pendant le¦développement du cerveau mène aux déficits de la synchronisation neuronale et aux¦dommages cellulaires qui prédisposent l'individu à développer, à l'âge adulte, la¦schizophrénie (Kim Do et al.). Kim Do et al (2009) ont découvert qu'une anomalie génétique¦de la synthèse du glutathion (GSH) est responsable de la dérégulation redox qui mène au¦stress oxydatif qui, à son tour, est impliqué dans la pathogénèse de la schizophrénie pendant le¦développement du cerveau. Le GSH protège les cellules contre les radicaux libres produits par¦le stress oxydatif. En effet, les radicaux libres provoquent la peroxydation des lipides,¦l'oxydation des protéines et des lésions au niveau de l'ADN, et par conséquent, des¦dommages cellulaires.¦Le GSH est produit par l'enzyme clé GCL (glutamate-cystéine ligase). Le GCL est composé¦de deux sous-unités: GCL-M (sous-unité modulatrice) et GCL-C (sous-unité catalytique). Des¦polymorphismes des gènes de GCL-M et GCL-C ont été trouvé associés avec la¦maladie (Tosic et al., 2006 ; Gysin et al., 2007). Dans cette étude, on se focalisera sur le TNR¦GAG (répétitions de tri-nucléotides) du GCL-C. En effet, GCL-C possède sur son codon¦START des variances avec 7, 8 ou 9 répétitions GAG générant ainsi six génotypes différents:¦7/7, 7/8, 7/9, 8/8, 8/9 et 9/9. Dans deux cohortes, les génotypes 8/7, 8/8, 8/9 et 9/9, appelés¦génotype à haute risque (HR), se trouvent en plus grand nombre chez les patients tandis que¦les génotypes 7/7 et 7/9 (génotypes à bas risque (BR)) sont plus nombreux chez les sujets¦témoins (Gysin et al., 2007). En plus, les analyses des cultures de fibroblastes montrent que¦chez les génotypes HR, en comparaison avec ceux à BR, l'expression de protéine de GCL-C,¦l'activité enzymatique de GCL et le taux de GSH sont nettement plus bas.¦Cette étude se base sur le DIGS (diagnostic interview for genetic studies), un entretien semistructuré¦qui récolte des données psychopathologiques. Grâce à cet outil, nous pouvons¦comparer les données des sujets avec les génotypes HR versus BR. Plus précisément, on va se¦focaliser sur le chapitre des psychoses du DIGS chez les schizophrènes, en se posant la¦question suivante: « Est-ce qu'il y a une différence des phénotypes entre BR et HR ? » .¦La méthode de travail va se focaliser sur : (a) revue de la littérature, (b) l'analyse et la¦compréhension du DIGS et (c) l'analyse, l'interprétation et la synthèse des résultats¦statistiques du chapitre « psychose » du DIGS.¦Les résultats nous indiquent une différence significative entre les deux groupes pour les¦symptômes suivants : (a) les idées délirantes de persécution, (b) la durée de l'émoussement¦affectif et des affects inappropriés et (c) les croyances inhabituelles ou pensées magiques¦pendant la phase prodromique.¦Étant donné que cette étude se base sur un échantillon assez restreint, il faudrait la consolider¦avec un plus grands nombre de cas et il serait intéressant de le reproduire dans une autre¦cohorte. En conclusion, le travail peut ouvrir de nouvelles perspectives, surtout pour les¦symptômes mal traités ou pas traités par les traitements actuels.

The role of teriparatide in sequential and combination therapy of osteoporosis.

Osteoporosis is complicated by the occurrence of fragility fractures. Over past years, various treatment options have become available, mostly potent antiresorptive agents such as bisphosphonates and denosumab. However, antiresorptive therapy cannot fully and rapidly restore bone mass and structure that has been lost because of increased remodelling. Alternatively recombinant human parathyroid hormone (rhPTH) analogues do increase the formation of new bone material. The bone formation stimulated by intermittent PTH analogues not only increases bone mineral density (BMD) and bone mass but also improves the microarchitecture of the skeleton, thereby reducing incidence of vertebral and nonvertebral fractures. Teriparatide, a recombinant human PTH fragment available in Switzerland, is reimbursed as second-line treatment in postmenopausal women and men with increased fracture risk, specifically in patients with incident fractures under antiresorptive therapy or patients with glucocorticoid-induced osteoporosis and intolerance to antiresorptives. This position paper focuses on practical aspects in the management of patients on teriparatide treatment. Potential first-line indications for osteoanabolic treatment as well as the benefits and limitations of sequential and combination therapy with antiresorptive drugs are discussed.

Early glutathione deficit impairs parvalbumin expression in gaba interneurons and kainate-induced gamma oscillations

An increased oxidative stress and alteration of the antioxidant systems have been observed in schizophrenia. Glutathione (GSH), a major redox regulator, is decreased in patients' cerebrospinal fluid, prefrontal cortex in vivo and striatum post-mortem tissue. Most importantly, there is genetic and functional evidence for the implication of the gene of the glutamate cysteine ligase (GCL) catalytic subunit, the key GSH-synthesizing enzyme. We have developed animal models for a GSH deficit to study the consequences of such deficit on the brain development. A GSH deficit combined with elevated dopamine (DA) during development leads to reduced parvalbumin (PV) expression in a subclass of GABA interneurons in rat anterior cingulate cortex (ACC). Similar changes are observed in postmortem brain tissue of schizophrenic patients. GSH dysregulation increases vulnerability to oxidative stress, that in turn could lead to cortical circuit anomalies in the schizophrenic brain. In the present study, we use a GCL modulatory subunit (GCLM) knock-out (KO) mouse model that presents up to 80% decreased brain GSH levels. During postnatal development, a subgroup of animals from each genotype is exposed to elevated oxidative stress induced by treatment with the DA reuptake inhibitor GBR12909. Results reveal a significant genotype-specific delay International Congress on Schizophrenia Research 136 10. 10. Neuroanatomy, Animal Downloaded from http://schizophreniabulletin.oxfordjournals.org at Bibliotheque Cantonale et Universitaire on June 18, 2010 in cortical PV expression at postnatal day P10 in GCLM-KO mice, as compared to wild-type. This effect seems to be further exaggerated in animals treated with GBR12909 from P5 to P10. At P20, PV expression is no longer significantly reduced in GCLM-KO ACC without GBR but is reduced if GBR is applied from P10 to P20. However, our result show that GCLM-KO mice exhibit increased oxidative stress, cortical altered myelin development as shown by MBP marker, and more specifically impairment of the peri-neuronal net known to modulate PV connectivity. In addition, we also observe a reduced PV expression in the ventro-temporal hippocampus of adult GCLM-KO mice, suggesting that anomalies of the PV interneurons prevail at least in some brain regions throughout the adulthood. Interestingly, the power of kainate-induced gamma oscillations, known to be dependent on proper activation of PV interneuron's, is also lower in hippocampal slices of adult GCLM KO mice. These results suggest that the PV positive GABA interneurons is particularly vulnerable to increased oxidative stress

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

N-acetylcysteine normalizes neurochemical changes in the glutathione-deficient schizophrenia mouse model during development.

BACKGROUND: Glutathione (GSH) is the major cellular redox-regulator and antioxidant. Redox-imbalance due to genetically impaired GSH synthesis is among the risk factors for schizophrenia. Here we used a mouse model with chronic GSH deficit induced by knockout (KO) of the key GSH-synthesizing enzyme, glutamate-cysteine ligase modulatory subunit (GCLM).¦METHODS: With high-resolution magnetic resonance spectroscopy at 14.1 T, we determined the neurochemical profile of GCLM-KO, heterozygous, and wild-type mice in anterior cortex throughout development in a longitudinal study design.¦RESULTS: Chronic GSH deficit was accompanied by an elevation of glutamine (Gln), glutamate (Glu), Gln/Glu, N-acetylaspartate, myo-Inositol, lactate, and alanine. Changes were predominantly present at prepubertal ages (postnatal days 20 and 30). Treatment with N-acetylcysteine from gestation on normalized most neurochemical alterations to wild-type level.¦CONCLUSIONS: Changes observed in GCLM-KO anterior cortex, notably the increase in Gln, Glu, and Gln/Glu, were similar to those reported in early schizophrenia, emphasizing the link between redox imbalance and the disease and validating the model. The data also highlight the prepubertal period as a sensitive time for redox-related neurochemical changes and demonstrate beneficial effects of early N-acetylcysteine treatment. Moreover, the data demonstrate the translational value of magnetic resonance spectroscopy to study brain disease in preclinical models.

Metabolic alterations in the cortex of a mouse model with glutathione deficit - relevance to schizophrenia

Background: Glutathione (GSH) is a major redox regulator and antioxidant and is decreased in cerebrospinal fluid and prefrontal cortex of schizophrenia patients [Do et al. (2000) Eur J Neurosci 12:3721]. The genes of the key GSH-synthesizing enzyme, glutamate- cysteine ligase catalytic (GCLC) and modifier (GCLM) subunits, are associated with schizophrenia, suggesting that the deficit in GSH synthesis is of genetic origin [Gysin et al. (2007) PNAS 104:16621]. GCLM knock-out (KO) mice, which display an 80% decrease in brain GSH levels, have abnormal brain morphology and function [Do et al. (2009) Curr Opin Neurobiol 19:220]. Developmental redox deregulation by impaired GSH synthesis and environmental risk factors generating oxidative stress may have a central role in schizophrenia. Here, we used GCLM KO mice to investigate the impact of a genetically dysregulated redox system on the neurochemical profile of the developing brain. Methods: The neurochemical profile of the anterior and posterior cortical areas of male and female GCLM KO and wild-type mice was determined by in vivo 1H NMR spectroscopy on postnatal days 10, 20, 30, 60 and 90, under 1 to 1.5% isoflurane anaesthesia. Localised 1H NMR spectroscopy was performed on a 14.1 T, 26 cm VNMRS spectrometer (Varian, Magnex) using a home-built 8 mm diameter quadrature surface coil (used both for RF excitation and signal reception). Spectra were acquired using SPECIAL with TE of 2.8 ms and TR of 4 s from VOIs placed in anterior or posterior regions of the cortex [Mlynárik et al. (2006) MRM 56:965]. LCModel analysis allowed in vivo quantification of a neurochemical profile composed of 18 metabolites. Results: GCLM KO mice displayed nearly undetectable GSH levels as compared to WT mice, demonstrating their drastic redox deregulation. Depletion of GSH triggered alteration of metabolites related to its synthesis, namely increase of glycine and glutamate levels during development (P20 and P30). Concentrations of glutamine and aspartate that are produced from glutamate were also increased in GCLM KO animals relative to WT. In addition, GCLM KO mice also showed higher levels of N-acetylaspartate that originates from the acetylation of aspartate. These metabolites are particularly implicated in neurotransmission processes and in mitochondrial oxidative metabolism. Their increase may indicate impaired mitochondrial metabolism with concomitant accumulation of lactate in the adult mice (P60 and P90). In addition, the GSH depletion triggers reduction of GABA concentration in anterior cortex of the P60 mice, which is in accordance with known impairment of GABAergic interneurons in that area. Changes were generally more pronounced in males than in females at P60, which is consistent with earlier disease onset in male patients. Discussion: In conclusion, the observed metabolic alterations in the cortex of a mouse model of redox deregulation suggest impaired mitochondrial metabolism and altered neurotransmission. The results also highlight the age between P20 and P30 as a sensitive period during the development for these alterations.

Comparison of the gut microbiota from soldier and worker castes of the termite Reticulitermes grassei

The bacterial microbiota from the whole gut of soldier and worker castes of the termite Reticulitermes grassei was isolated and studied. In addition, the 16S rDNA bacterial genes from gut DNA were PCR-amplified using Bacteria-selective primers, and the 16S rDNA amplicons subsequently cloned into Escherichia coli. Sequences of the cloned inserts were then used to determine closest relatives by comparison with published sequences and with sequences from our previous work. The clones were found to be affiliated with the phyla Spirochaetes, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Synergistetes, Verrucomicrobia, and candidate phyla Termite Group 1 (TG1) and Termite Group 2 (TG2). No significant differences were observed with respect to the relative bacterial abundances between soldier and worker phylotypes. The phylotypes obtained in this study were compared with reported sequences from other termites, especially those of phylotypes related to Spirochaetes, Wolbachia (an Alphaproteobacteria), Actinobacteria, and TG1. Many of the clone phylotypes detected in soldiers grouped with those of workers. Moreover, clones CRgS91 (soldiers) and CRgW68 (workers), both affiliated with"Endomicrobia", were the same phylotype. Soldiers and workers also seemed to have similar relative protist abundances. Heterotrophic, poly-β-hydroxyalkanoate-accumulating bacteria were isolated from the gut of soldiers and shown to be affiliated with Actinobacteria and Gammaproteobacteria. We noted that Wolbachia was detected in soldiers but not in workers. Overall, the maintenance by soldiers and workers of comparable axial and radial redox gradients in the gut is consistent with the similarities in the prokaryotes and protists comprising their microbiota.

Gelatinase expression and proteolytic activity in giant-cell arteritis

Objectives: Gelatinases (MMP2 and MMP9) are expressed in giant-cell arteritis (GCA) and are thought to play a role in vessel disruption. However, their activation status and enzymatic activity have not been evaluated. Our aim was to investigate the distribution and proteolytic activity of gelatinases in GCA lesions at different stages. Methods: Expression of MMP2, MMP9, MMP2-activator MMP14 and their natural inhibitors TIMP1 and TIMP2 was determined by real-time PCR and immunohistochemistry in temporal artery sections from 46 patients and 12 controls. MMP activation status and enzymatic activity were assessed by gelatin and film in situ zymography. Results: Vascular smooth muscle cells from normal specimens constitutively expressed pro-MMP2 and its inhibitor TIMP2 with no resulting proteolytic activity. In GCA MMP2, MMP9 and MMP14 were strongly expressed in their active form by infiltrating leucocytes. Inflamed arteries also expressed TIMP1 and TIMP2. However, the MMP9/TIMP1 and MMP2/TIMP2 ratios were higher in patients compared with controls, indicating an increased proteolytic balance in GCA which was confirmed by in situ zymography. Maximal gelatinase expression and activity occurred at the granulomatous areas surrounding the internal elastic lamina (IEL). Myointimal cells also expressed MMPs and exhibited proteolytic activity, suggesting a role for gelatinases in vascular remodelling and repair. Conclusions: GCA lesions show intense expression of gelatinases. Activators and inhibitors are regulated to yield enhanced gelatinase activation and proteolytic activity. Distribution of expression and proteolytic activity suggests that gelatinases have a major role not only in the progression of inflammatory infiltrates and vessel destruction but also in vessel repair.

Schizophrenia: glutathione deficit as a new vulnerability factor for disconnectivity syndrome

(from the journal abstract) Schizophrenia, a major psychiatric disease, affects individuals in the centre of their personality. Its aetiology is not clearly established. In this review, we will present evidence that patients suffering of schizophrenia present a brain deficit in glutathione, a major endogenous redox regulator and antioxidant. We will also show that, in experimental models, a decrease in glutathione, particularly during development, induces morphological, electrophysiological and behavioural anomalies consistent with those observed in the disease. In the cerebrospinal fluid of drug-naive schizophrenics, glutathione level was decreased by 27% and its direct metabolite of glutathione by 16%. Glutathione level in prefrontal cortex of patients, measured by magnetic resonance spectroscopy, was 52% lower than in controls. Patients' fibroblasts reveal a decrease in mRNA levels of the two glutathione synthesising enzymes, glutamatecysteine ligase modulatory subunit (GCLM) and glutathione synthetase. GCLM expression level in fibroblasts correlates negatively with symptoms severity. Glutathione is an important endogenous redox regulator and neuroactive substance. It is protecting cells from damage by reactive oxygen species generated, among others, by dopamine metabolism. A glutathione deficit-induced oxidative stress would lead to lipid peroxidation and micro-lesions at the level of dendritic spines, a synaptic damage responsible for abnormal nervous connections or structural disconnectivity. On the other hand, a glutathione deficit could also lead to a functional disconnectivity by depressing NMDA neurotransmission, in analogy to phencyclidine effects. Present experimental data are consistent with the proposed hypothesis: decreasing pharmacologically glutathione level in experimental models, with or without blocking dopamine (DA) uptake (GBR12909), induces morphological, electrophysiological and behavioural changes similar to those observed in patients. In summary, a deficit of glutathione and/or glutathione-related enzymes during early development would lead to both a functional and a structural disconnectivity, which could be at the basis of some perceptive, cognitive and behavioural troubles of the disease. It could constitute a major vulnerability factor for schizophrenia. Attempts to restore physiological glutathione functions could open new therapeutic avenues. This translational research, made possible by a close interaction between clinicians and neuroscientists, should also pave the way to the identification of biological markers for schizophrenia. In turn, they should allow early diagnostic and hopefully preventive intervention to this devastating disease. (PsycINFO Database Record (c) 2005 APA, all rights reserved)

Interplay of oxidative, nitrosative/nitrative stress, inflammation, cell death and autophagy in diabetic cardiomyopathy.

Diabetes is a recognized risk factor for cardiovascular diseases and heart failure. Diabetic cardiovascular dysfunction also underscores the development of diabetic retinopathy, nephropathy and neuropathy. Despite the broad availability of antidiabetic therapy, glycemic control still remains a major challenge in the management of diabetic patients. Hyperglycemia triggers formation of advanced glycosylation end products (AGEs), activates protein kinase C, enhances polyol pathway, glucose autoxidation, which coupled with elevated levels of free fatty acids, and leptin have been implicated in increased generation of superoxide anion by mitochondria, NADPH oxidases and xanthine oxidoreductase in diabetic vasculature and myocardium. Superoxide anion interacts with nitric oxide forming the potent toxin peroxynitrite via diffusion limited reaction, which in concert with other oxidants triggers activation of stress kinases, endoplasmic reticulum stress, mitochondrial and poly(ADP-ribose) polymerase 1-dependent cell death, dysregulates autophagy/mitophagy, inactivates key proteins involved in myocardial calcium handling/contractility and antioxidant defense, activates matrix metalloproteinases and redox-dependent pro-inflammatory transcription factors (e.g. nuclear factor kappaB) promoting inflammation, AGEs formation, eventually culminating in myocardial dysfunction, remodeling and heart failure. Understanding the complex interplay of oxidative/nitrosative stress with pro-inflammatory, metabolic and cell death pathways is critical to devise novel targeted therapies for diabetic cardiomyopathy, which will be overviewed in this brief synopsis. This article is part of a Special Issue entitled: Autophagy and protein quality control in cardiometabolic diseases.

Role of CLOCK and circadian rhythms in calcium homeostasis

Le maintien d'une concentration sanguine constante de calcium est d'une importance cruciale et trois organes participent à la balance calcique normale : les reins, les intestins et les os. La concentration plasmatique de calcium est strictement régulée par l'hormone parathyroïdienne (PTH) et par la vitamine D. Des variations circadiennes de la PTH, de la vitamine D ainsi que du calcium plasmatique ont été décrites précédemment chez l'humain ainsi que chez le rat. Ces rythmes de PTH dans le sérum sont importants pour la régulation du remodelage de l'os. En effet, il a été montré chez les souris C57BL/6J que des injections de PTH une fois par jour mènent à une augmentation de la densité minérale de l'os alors que l'infusion en continu de PTH est associée à une diminution de cette densité. La vitamine D joue également un rôle fondamental dans la physiologie osseuse, car un déficit en vitamine D peut conduire à une ostéomalacie. Cependant la fonction des oscillations de vitamine D au niveau de l'homéostasie osseuse reste inconnue. L'horloge circadienne est un système interne de contrôle biologique du temps générant des rythmes de 24 heures dans l'expression des gènes, ainsi que dans la physiologie et le comportement. Ce contrôle s'opère par des boucles rétroactives positives et négatives de l'expression de gènes circadiens tels que CLOCK, BMAL1, CRY1 et 2 ou PERI et 2. Dans ce travail, nous avons émis l'hypothèse que l'homéostasie calcique est sous le contrôle de l'horloge circadienne. Dans un premier temps, nous avons montré chez les souris C57BL/6J des variations journalières des concentrations de calcium, de PTH et de vitamine D dans le sang, ainsi que de calcium dans les urines. Nous avons également démontré des changements au niveau de l'expression rénale des gènes importants dans l'homéostasie du calcium, tant au niveau de l'ARN messager que des protéines. Ensuite, pour analyser le rôle du système de l'horloge circadienne dans l'homéostasie du calcium, nous avons étudié des souris dans lesquelles a été supprimé le gène CLOCK crucial pour la fonction de l'horloge et nous avons comparé ces souris à des souris de type sauvage de même portée. Les souris CLOCK-I- étaient hypercalciuriques à chaque moment de la journée. Cependant le rythme circadien de l'excrétion de calcium était préservé. Le taux de calcium plasmatique ne différait pas entre les génotypes, mais les souris CLOCK -/- ne montraient pas de variations journalières de ce paramètre. Une perte du rythme journalier était également observée pour les niveaux de vitamine D, perte qui pourrait être une cause de l'altération de la micro-architecture osseuse révélée chez les souris CLOCK-/-. En effet, ces souris montrent une diminution du nombre de trabécules, de leur volume ainsi que de leur surface, ce qui suggère la présence d'ostéoporose. Nous avons également trouvé que le rythme de l'expression de l'ARN messager de CYP27B1 était aboli dans les reins des souris CLOCK -/-, ce qui peut expliquer l'altération du rythme de la vitamine D. Les taux sanguins de PTH étaient comparables entre les souris CLOCK -/- et de type sauvage. Dans les reins, une augmentation de l'expression de l'ARN messager de TRPV5 et NCX1 a été constatée, ce qui suggérerait une augmentation de la réabsorption de calcium dans le tubule convoluté distal et dans le tubule connecteur. Dans les intestins, la réabsorption calcique était diminuée, chez les souris CLOCK-I-, fait confirmé par une diminution des niveaux d'ARN messager de TRPV6 et PMCAL. En résumé, la suppression du gène CLOCK chez les souris a conduit à une hypercalciurie, une altération du rythme des taux plasmatiques de calcium et de vitamine D et à une détérioration de l'architecture osseuse. Pour conclure, ces résultats montrent que l'horloge circadienne est essentielle à l'homéostasie calcique ainsi qu'à la physiologie des os. - L'ostéoporose affecte environ 22 millions de femmes et 5.5 millions d'hommes en Europe, réduisant significativement leur qualité de vie et a causé 3.5 millions de nouvelles fractures en 2010. Les dépenses totales liées à ces fractures ont atteint 37 milliards d'euro et ce coût devrait augmenter de 25% d'ici à 2025. Le nombre de nouvelles fractures dues à l'ostéoporose à travers le monde est estimé à environ 1000 par heure. Parmi les causes de l'ostéoporose, le déficit én calcium et/ou en vitamine D joue un rôle important, mais il existe également des causes génétiques ou liées à des facteurs comme les hormones sexuelles (estrogènes, testostérone), l'âge, le tabac, le poids corporel, certains médicaments,... La vie est rythmique : ceci est dû à l'alternance naturelle du jour et de la nuit et de ses effets sur le corps. La prise alimentaire, par exemple, est un processus qui a lieu pendant la phase active, qui est prévisible (il se produit toujours au même moment) et qui peut être anticipé par le corps. Pour cela, une horloge interne est présente dans chaque cellule du corps et est synchronisée par la lumière du jour, entre autres stimuli. Cette horloge indique la phase du jour et régule l'expression de gènes impliqués dans les différents processus qui nécessitent une anticipation. Pendant mon travail de thèse, je me suis demandé si des îythmes circadiens (c'est-à-dire d'une durée d'environ 24 heures et indépendants des stimuli externes) étaient observables'pour les gènes régulant les flux de calcium dans le corps et si l'interruption de ces rythmes pouvait mener à des altérations de la qualité de l'os. J'ai d'abord travaillé avec des souris normales et j'ai pu montrer la présence de rythmes au niveau du calcium sanguin et urinaire, mais également au niveau des hormones et gènes qui contrôlent le métabolisme du calcium dans le corps, comme la vitamine D et l'hormone parathyroidienne. De manière intéressante, j'ai observé que la plupart de ces gènes ont un rythme synchronisé. J'ai ensuite utilisé un modèle de souris dans lequel l'horloge interne a été génétiquement invalidée et j'ai montré que ces souris présentent une augmentation de leur excrétion urinaire de calcium et un rythme circadien altéré de la vitamine D dans le sang. Ces souris absorbent aussi moins bien le calcium intestinal et présentent une ostéoporose marquée. Ce travail montre donc que l'horloge interne est nécessaire pour établir un rythme circadiens de certains facteurs influant les flux de calcium dans l'organisme, comme la vitamine D, et que la perturbation de ces rythmes mène à une dérégulation du métabolisme osseux. Ainsi, la perturbation de l'horloge interne peut causer une ostéoporose et une hypercalciurie qui pourraient aboutir à la formation de fractures et de calculs rénaux. L'extrapolation de ces observations chez l'homme ou à des changements plus subtiles des rythmes circadiens, comme le décalage horaire, restent à montrer. Cette recherche a démontré que les rythmes circadiens des mécanismes de régulation des flux de calcium dans l'organisme sont essentiels au maintien d'un squelette normal et suggère que les perturbations des rythmes circadiens pourraient être une nouvelle cause de l'ostéoporose. - Maintaining constant calcium concentration in the plasma is of a crucial importance and three organs participate in normal calcium balance - kidney, gut and bone. Plasma calcium concentration is strictly regulated by parathyroid hormone (PTH) and vitamin D. Circadian variations of PTH, vitamin D and plasma calcium were previously described in humans, as well as in rats. Rhythms in serum PTH are important for balanced bone remodelling. Indeed in C57BL/6J mice, PTH injection once per day leads to an increase in bone mineral density (BMD), whilst continuous infusion is associated with decreased BMD. Vitamin D also plays a crucial role in bone physiology, since the deficiency in vitamin D can lead to rickets/osteomalacia. However, the role of vitamin D rhythms in bone homeostasis remains unknown. The circadian clock is an. internal time-keeping system generating rhythms in gene expression with 24h periodicity, in physiology and in behaviour. It is operated by positive- and negative-feedback loops of circadian genes, such as CLOCK, BMAL1, CRY1 and 2 or PERI and 2. In this work, we hypothesized, that calcium homeostasis is under the control of the circadian clock. First, we showed daily variations in urinary calcium and serum calcium, PTH and l,25(OH)2 vitamin D, together with renal mRNA and protein levels of genes involved in calcium homeostasis in C57BL/6J mice. Second, and to investigate the role of the circadian clock system in calcium handling, we studied mice lacking the gene CLOCK crucial for fonction of the clock system and compared them to the WT littermates. CLOCK-/- mice were hypercalciuric at all timepoints of the day. However, the circadian rhythm of calcium excretion was preserved. Serum calcium levels did not differ between the genotypes, but CLOCK-/- mice did not exhibit daily variation for this parameter. Loss of rhythm was observed also for serum l,25(OH)2 vitamin D levels, which may be one of the causes of altered bone microarchitecture that was revealed in CLOCK-/- mice. They displayed increased trabecular separation and decreased trabecular number, trabecular bone volume and trabecular bone surface, suggestive of osteoporosis. We found that the rhythm of the mRNA expression of CYP27B1 was abolished in the kidney of CLOCK-/- mice, which could induce the altered rhythm of l,25(OH)2 vitamin. Serum PTH levels were comparable between CLOCK-/- and WT mice. In the kidney, increased mRNA expression of TRPV5 and NCX1 suggests increased calcium reabsorption in the distal convoluted and connecting tubule. In the gut, intestinal calcium absorption was decreased in CLOCK¬/- mice, confirmed by decreased mRNA levels of TRPV6 and PMCA1. In summary, deletion of the CLOCK gene in mice conducts to hypercalciuria, alteration of the rhythm in serum calcium and l,25(OH)2D levels, and impainnent of their bone microarchitecture. In conclusion, these data show that the circadian clock system is essential in calcium homeostasis and bone physiology.