Strategies of "Pseudomonas aeruginosa" to overcome copper limitation

Summary Copper is an important trace element and micronutrient for living organisms as it is the cofactor of several enzymes involved in diverse biological redox processes such as aerobic respiration, denitrification and photosynthesis. Despite its importance, copper may be poorly bioavailable in soils and aquatic environments, as well as in the human body, especially at physiological or alkaline pH. In this work, we have investigated the strategies that the versatile bacterium and opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa has evolved to face and overcome copper limitation. The global response of the P. aeruginosa to copper limitation was assessed under aerobic conditions. Numerous iron uptake functions (including the siderophores pyoverdine and pyochelin) were down-regulated whereas expression of cioAB (encoding an alternative, copper-independent, cyanide-resistant ubiquinol oxidase) was up-regulated. Wild type P. aeruginosa was able to grow aerobically in a defined glucose medium depleted of copper by a copper chelator, whereas a cioAB mutant did not grow. Thus, P. aeruginosa relies on the CioAB enzyme to cope with severe copper deprivation. A quadruple cyo cco1 cco2 cox mutant, which was deleted for all known heme-copper terminal oxidases of P. aeruginosa, grew aerobically, albeit more slowly than did the wild type, indicating that the CioAB enzyme is capable of energy conservation. However, the expression of a cioA'-'lacZ fusion was less dependent on the copper status in the quadruple mutant than in the wild type, suggesting that copper availability might affect cioAB expression indirectly, via the function of the heme-copper oxidases. These results suggest that the CioAB enzyme can be used as a by-pass strategy to overcome severe copper limitation and perform aerobic respiration even if virtually no copper is available. The PA0114 gene, which encodes a protein of the SCOT/SenC family, was found to be important for copper acquisition and aerobic respiration in low copper conditions. A PA0114 (sent) mutant grew poorly in low copper media and had low terminal oxidase activity with TMPD (N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine), but expressed the CioAB enzyme at elevated levels. Addition of copper reversed these phenotypes, suggesting that periplasmic copper capture by the SenC protein is another strategy that helps P. aeruginosa to adapt to copper deprivation. RESUME Le cuivre est un micronutriment important pour les organismes vivants. Il représente le cofacteur de plusieurs enzymes impliquées dans une multitude de processus biologiques tels que la respiration aérobie, la dénitrification et la photosynthèse. Malgré son importance, le cuivre peut être peu disponible dans les sols, les environnements aquatiques et le corps humain, spécialement à pH physiologique ou alcalin. Dans ce travail nous avons étudié les stratégies développées par la bactérie pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa PAO1 afm de faire face et de surmonter le manque de cuivre. La réponse globale de P. aeruginosa à la carence de cuivre a été analysée dans des conditions aérobie. Les résultats obtenus ont montré que plusieurs gènes impliqués dans l'acquisition du fer, tels que les gènes codant pour les sidérophores (pyoverdine et pyochéline), étaient réprimés, tandis que l'expression de l'opéron cioAB, codant pour l'oxydase terminale insensible au cyanure (CIO), était augmentée. La souche sauvage P. aeruginosa est capable de croître dans un milieu où la concentration en cuivre est limitée, due à la présence d'un chélateur spéciftque de cuivre, tandis que le mutant cioAB ne croît pas dans ces conditions. Nous avons conclu que P. aeruginosa nécessite l'oxydase terminale CIO pour faire face à la carence en cuivre. Un quadruple mutant affecté dans toutes les oxydases dépendantes du cuivre (cyo ccol cco2 cox) et appartenant aux oxydases de type hème-cuivre, peut croître en aérobie, néanmoins plus lentement que la souche sauvage, ce qui montre que l'enzyme CIO est capable de conserver l'énergie. L'expression de la fusion rapportrice cioA'-'IacZ chez le quadruple mutant est moins dépendante de la disponibilité de cuivre que chez la souche sauvage. Ces résultats suggèrent que la disponibilité de cuivre influence l'expression de cioAB d'une façon indirecte, par le biais des oxydases terminales de type héme-cuivre. Il est donc possible qu'en cas de carence de cuivre, P. aeruginosa utilise l'enzyme CIO comme stratégie afin de surmonter ce manque et de réaliser la respiration aérobie. Nous avons démontré que le gène PA0114, codant pour une protéine appartenant à la famille SCO1/SenC, est important dans l'acquisition et dans la respiration aérobie dans des environnements où le cuivre est présent en faible concentration. En ces conditions, la croissance du mutant senC est faible; de plus, l'activité des oxydases terminales en présence du donneur d'électrons TMPD (N,N,N,N'-tetraméthyl-p-phénylenediamine) est basse. Toutefois, l'addition de cuivre au milieu de culture permet de restaurer le phénotype du type sauvage. Ces résultats montrent que la protéine SenC est capable d'acquérir le cuivre et représente donc une autre stratégie chez P. aeruginosa pour s'adapter à un manque de cuivre.

Des problèmes pré-analytiques à l'oxydation des protéines : voyage protéomique

RAPPORT DE SYNTHESE :Cette thèse a pour but de démontrer que les protéines sanguines sont sensibles à leur micro- environnement redox et que les outils protéomiques permettent pour une part de caractériser les effets de ce micro-environnement au niveau moléculaire. Elle est divisée en trois parties, les deux premières sous forme d'articles de revue publiés et la troisième sous forme d'un travail de recherche mené au Centre de Transfusion Sanguine de Lausanne en collaboration avec la PAF (Protein Analysis Facility) de l'UNIL.L'article « Plasma/serum proteomics : preanalytical issues » publié dans Expert Review of Proteomics en 2007 explique comment la protéine porte l'empreinte de la phase pré¬analytique. La technique d'électrophorèse bi-dimensionnelle « différentielle » permet de simplifier cette phase en soumettant tous les échantillons analysés aux mêmes manipulations, ramenant ainsi les variables pré-analytiques aux plus élémentaires d'entre elles. Dans l'article « Oxidation of proteins : basic principles and perspectives for blood proteomics » publié dans Proteomics Clinical Applications en 2008, il est question de l'oxydation comme réaction chimique à l'origine de lésions, protéiques. Celles-ci peuvent donner lieu à des artefacts d'analyse protéomique et rendre l'identification de peptides confondante. Elles peuvent par ailleurs être chimiquement instables et s'associer à d'autres composés contenus dans l'échantillon.Le travail de recherche décrit l'étude protéomique des modifications oxydatives au niveau du fibrinogène oxydé in vitro. Les résultats de cette étude indiquent que les conditions de conservation de plasma destiné à la transfusion peuvent potentiellement altérer la structure et la fonction des protéines contenues dans ce produit sanguin et que ce phénomène est pour une part oxydatif.

Farnesol-induced apoptosis in Candida albicans is mediated by Cdr1-p extrusion and depletion of intracellular glutathione.

Farnesol is a key derivative in the sterol biosynthesis pathway in eukaryotic cells previously identified as a quorum sensing molecule in the human fungal pathogen Candida albicans. Recently, we demonstrated that above threshold concentrations, farnesol is capable of triggering apoptosis in C. albicans. However, the exact mechanism of farnesol cytotoxicity is not fully elucidated. Lipophilic compounds such as farnesol are known to conjugate with glutathione, an antioxidant crucial for cellular detoxification against damaging compounds. Glutathione conjugates act as substrates for ATP-dependent ABC transporters and are extruded from the cell. To that end, this current study was undertaken to validate the hypothesis that farnesol conjugation with intracellular glutathione coupled with Cdr1p-mediated extrusion of glutathione conjugates, results in total glutathione depletion, oxidative stress and ultimately fungal cell death. The combined findings demonstrated a significant decrease in intracellular glutathione levels concomitant with up-regulation of CDR1 and decreased cell viability. However, addition of exogenous reduced glutathione maintained intracellular glutathione levels and enhanced viability. In contrast, farnesol toxicity was decreased in a mutant lacking CDR1, whereas it was increased in a CDR1-overexpressing strain. Further, gene expression studies demonstrated significant up-regulation of the SOD genes, primary enzymes responsible for defense against oxidative stress, with no changes in expression in CDR1. This is the first study describing the involvement of Cdr1p-mediated glutathione efflux as a mechanism preceding the farnesol-induced apoptotic process in C. albicans. Understanding of the mechanisms underlying farnesol-cytotoxicity in C. albicans may lead to the development of this redox-cycling agent as an alternative antifungal agent.

Speciation of naturally-accumulated uranium in an organic-rich soil of an alpine region (Switzerland)

Very high concentrations of uranium (up to 4000 ppm) were found in a natural soil in the Dischma valley, an alpine region in the Grisons canton in Switzerland. The goal of this study was to examine the redox state and the nature of uranium binding in the soil matrix in order to understand the accumulation mechanism. Pore water profiles collected from Dischma soil revealed the establishment of anoxic conditions with increasing soil depth. A combination of chemical extraction methods and spectroscopy was applied to characterize the redox state and binding environment of uranium in the soil. Bicarbonate extraction under anoxic conditions released most of the uranium indicating that uranium occurs predominantly in the hexavalent form. Surprisingly, the uranium redox state did not vary greatly as a function of depth. X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES), confirmed that uranium was present as a mixture of U(VI) and U(IV) with U(VI) dominating. Sequential extractions of soil samples showed that the dissolution of solid organic matter resulted in the simultaneous release of the majority of the soil uranium content (>95%). Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy also revealed that soil-associated uranium in the soil matrix was mainly octahedrally coordinated, with an average of 1.7 axial (at about 1.76 Å) and 4.6 to 5.3 equatorial oxygen atoms (at about 2.36 Å) indicating the dominance of a uranyl-like (UO22+) structure presumably mixed with some U(IV). An additional EXAFS signal (at about 3.2 Å) identified in some spectra suggested that uranium was also bound (via an oxygen atom) to a light element such as carbon, phosphorus or silicon. Gamma spectrometric measurements of soil profiles failed to identify uranium long-life daughter products in the soil which is an indication that uranium originates elsewhere and was transported to its current location by water. Finally, it was found that the release of uranium from the soil was significantly promoted at very low pH values (pH 2) and increased with increasing pH values (between pH 5 and 9).

The carbon isotope composition of natural SiC (moissanite) from the Earth's mantle: New discoveries from ophiolites

Moissanite (natural SiC) has been recovered from podiform chromitites of several ophiolite complexes, including the Luobusa and Donqiao ophiolites in Tibet, the Semail ophiolite in Oman and the United Arab Emirates, and the Ray-Iz ophiolite of the Polar Urals, Russia. Taking these new occurrences with the numerous earlier reports of moissanite in diamondiferous kimberlites leads to the conclusion that natural SiC is a widespread mineral in the Earth's mantle, which implies at least locally extremely low redox conditions. The ophiolite moissanite grains are mostly fragments (20 to 150 mu m) with one or more crystal faces, but some euhedral hexagonal grains have also been recovered. Twinned crystals are common in chromitites from the Luobusa ophiolite. The moissanite is rarely colorless, more commonly light bluish-gray to blue or green. Many grains contain inclusions of native Si and Fe-Si alloys (FeSi(2), Fe(3)Si(7)). Secondary ion mass spectrometric (SIMS) analysis shows that the ophiolite-hosted moissanite has a distinctive (13)C-depleted isotopic composition (delta(13)C from -18 to -35 parts per thousand, n=36), much lighter than the main carbon reservoir in the upper mantle (delta(13)C near -5 parts per thousand). The compiled data from moissanite from kimberlites and other mantle settings share the characteristic of strongly (13)C-depleted isotopic composition. This suggests that moissanite originates from a separate carbon reservoir in the mantle or that its formation involved strong isotopic fractionation. The degree of fractionation needed to produce the observed moissanite compositions from the main C-reservoir would be unrealistically large at the high temperatures required for moissanite formation. Subduction of biogenic carbonaceous material could potentially satisfy both the unusual isotopic and redox constraints on moissanite formation, but this material would need to stay chemically isolated from the upper mantle until it reached the high-T stability field of moissanite. The origin of moissanite in the mantle is still unsolved, but all evidence from the upper mantle indicates that it cannot have formed there, barring special and local redox conditions. We suggest, alternatively, that moissanite may have formed in the lower mantle, where the existence of (13)C-depleted carbon is strongly supported by studies of extraterrestrial carbon (Mars, Moon, meteorites). (C) 2009 Elsevier B. V. All rights reserved.

Impaired metabolic reactivity to oxidative stress in early psychosis patients.

Because increasing evidence point to the convergence of environmental and genetic risk factors to drive redox dysregulation in schizophrenia, we aim to clarify whether the metabolic anomalies associated with early psychosis reflect an adaptation to oxidative stress. Metabolomic profiling was performed to characterize the response to oxidative stress in fibroblasts from control individuals (n = 20) and early psychosis patients (n = 30), and in all, 282 metabolites were identified. In addition to the expected redox/antioxidant response, oxidative stress induced a decrease of lysolipid levels in fibroblasts from healthy controls that were largely muted in fibroblasts from patients. Most notably, fibroblasts from patients showed disrupted extracellular matrix- and arginine-related metabolism after oxidative stress, indicating impairments beyond the redox system. Plasma membrane and extracellular matrix, 2 regulators of neuronal activity and plasticity, appeared as particularly susceptible to oxidative stress and thus provide novel mechanistic insights for pathophysiological understanding of early stages of psychosis. Statistically, antipsychotic medication at the time of biopsy was not accounting for these anomalies in the metabolism of patients' fibroblasts, indicating that they might be intrinsic to the disease. Although these results are preliminary and should be confirmed in a larger group of patients, they nevertheless indicate that the metabolic signature of reactivity to oxidative stress may provide reliable early markers of psychosis. Developing protective measures aimed at normalizing the disrupted pathways should prevent the pathological consequences of environmental stressors.

Oxidation of proteins: Basic principles and perspectives for blood proteomics.

Protein oxidation mechanisms result in a wide array of modifications, from backbone cleavage or protein crosslinking to more subtle modifications such as side chain oxidations. Protein oxidation occurs as part of normal regulatory processes, as a defence mechanism against oxidative stress, or as a deleterious processes when antioxidant defences are overcome. Because blood is continually exposed to reactive oxygen and nitrogen species, blood proteomics should inherently adopt redox proteomic strategies. In this review, we recall the biochemical basis of protein oxidation, review the proteomic methodologies applied to analyse redox modifications, and highlight some physiological and in vitro responses to oxidative stress of various blood components.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

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.

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

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.