Short-term levosimendan treatment protects rat testes against oxidative stress

The objective of this study was to evaluate the effect of short-term levosimendan exposure on oxidant/antioxidant status and trace element levels in the testes of rats under physiological conditions. Twenty male Wistar albino rats were randomly divided into two groups of 10 animals each. Group 1 was not exposed to levosimendan and served as control. Levosimendan (12 µg/kg) diluted in 10 mL 0.9% NaCl was administered intraperitoneally to group 2. Animals of both groups were sacrificed after 3 days and their testes were harvested for the determination of changes in tissue oxidant/antioxidant status and trace element levels. Tissue malondialdehyde (MDA) was significantly lower in the levosimendan group (P < 0.001) than in the untreated control group and superoxide dismutase and glutathione peroxidase (GSH-Px) levels were significantly higher in the levosimendan group (P < 0.001). Carbonic anhydrase, catalase and GSH levels were not significantly different from controls. Mg and Zn levels of testes were significantly higher (P < 0.001) and Co, Pb, Cd, Mn, and Cu were significantly lower (P < 0.001) in group 2 compared to group 1. Fe levels were similar for the two groups (P = 0.94). These results suggest that 3-day exposure to levosimendan induced a significant decrease in tissue MDA level, which is a lipid peroxidation product and an indicator of oxidative stress, and a significant increase in the activity of an important number of the enzymes that protect against oxidative stress in rat testes.

Target-directed catalytic metallodrugs

Most drugs function by binding reversibly to specific biological targets, and therapeutic effects generally require saturation of these targets. One means of decreasing required drug concentrations is incorporation of reactive metal centers that elicit irreversible modification of targets. A common approach has been the design of artificial proteases/nucleases containing metal centers capable of hydrolyzing targeted proteins or nucleic acids. However, these hydrolytic catalysts typically provide relatively low rate constants for target inactivation. Recently, various catalysts were synthesized that use oxidative mechanisms to selectively cleave/inactivate therapeutic targets, including HIV RRE RNA or angiotensin converting enzyme (ACE). These oxidative mechanisms, which typically involve reactive oxygen species (ROS), provide access to comparatively high rate constants for target inactivation. Target-binding affinity, co-reactant selectivity, reduction potential, coordination unsaturation, ROS products (metal-associated vsmetal-dissociated; hydroxyl vs superoxide), and multiple-turnover redox chemistry were studied for each catalyst, and these parameters were related to the efficiency, selectivity, and mechanism(s) of inactivation/cleavage of the corresponding target for each catalyst. Important factors for future oxidative catalyst development are 1) positioning of catalyst reduction potential and redox reactivity to match the physiological environment of use, 2) maintenance of catalyst stability by use of chelates with either high denticity or other means of stabilization, such as the square planar geometric stabilization of Ni- and Cu-ATCUN complexes, 3) optimal rate of inactivation of targets relative to the rate of generation of diffusible ROS, 4) targeting and linker domains that afford better control of catalyst orientation, and 5) general bio-availability and drug delivery requirements.

Effect of ozone oxidative preconditioning in preventing early radiation-induced lung injury in rats

Ionizing radiation causes its biological effects mainly through oxidative damage induced by reactive oxygen species. Previous studies showed that ozone oxidative preconditioning attenuated pathophysiological events mediated by reactive oxygen species. As inhalation of ozone induces lung injury, the aim of this study was to examine whether ozone oxidative preconditioning potentiates or attenuates the effects of irradiation on the lung. Rats were subjected to total body irradiation, with or without treatment with ozone oxidative preconditioning (0.72 mg/kg). Serum proinflammatory cytokine levels, oxidative damage markers, and histopathological analysis were compared at 6 and 72 h after total body irradiation. Irradiation significantly increased lung malondialdehyde levels as an end-product of lipoperoxidation. Irradiation also significantly decreased lung superoxide dismutase activity, which is an indicator of the generation of oxidative stress and an early protective response to oxidative damage. Ozone oxidative preconditioning plus irradiation significantly decreased malondialdehyde levels and increased the activity of superoxide dismutase, which might indicate protection of the lung from radiation-induced lung injury. Serum tumor necrosis factor alpha and interleukin-1 beta levels, which increased significantly following total body irradiation, were decreased with ozone oxidative preconditioning. Moreover, ozone oxidative preconditioning was able to ameliorate radiation-induced lung injury assessed by histopathological evaluation. In conclusion, ozone oxidative preconditioning, repeated low-dose intraperitoneal administration of ozone, did not exacerbate radiation-induced lung injury, and, on the contrary, it provided protection against radiation-induced lung damage.

Antioxidant effect of mogrosides against oxidative stress induced by palmitic acid in mouse insulinoma NIT-1 cells

Excessive oxidative stress in pancreatic β cells, caused by glucose and fatty acids, is associated with the pathogenesis of type 2 diabetes. Mogrosides have shown antioxidant and antidiabetic activities in animal models of diabetes, but the underlying mechanisms remain unclear. This study evaluated the antioxidant effect of mogrosides on insulinoma cells under oxidative stress caused by palmitic acid, and investigated the underlying molecular mechanisms. Mouse insulinoma NIT-1 cells were cultured in medium containing 0.75 mM palmitic acid, mimicking oxidative stress. The effects of 1 mM mogrosides were determined with the dichlorodihydrofluorescein diacetate assay for intracellular reactive oxygen species (ROS) and FITC-Annexin V/PI assay for cell apoptosis. Expression of glucose transporter-2 (GLUT2) and pyruvate kinase was determined by semi-quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction. Palmitic acid significantly increased intracellular ROS concentration 2-fold (P<0.05), and decreased expression of GLUT2 (by 60%, P<0.05) and pyruvate kinase (by 80%, P<0.05) mRNAs in NIT-1 cells. Compared with palmitic acid, co-treatment with 1 mM mogrosides for 48 h significantly reduced intracellular ROS concentration and restored mRNA expression levels of GLUT2 and pyruvate kinase. However, mogrosides did not reverse palmitic acid-induced apoptosis in NIT-1 cells. Our results indicate that mogrosides might exert their antioxidant effect by reducing intracellular ROS and regulating expression of genes involved in glucose metabolism. Further research is needed to achieve a better understanding of the signaling pathway involved in the antioxidant effect of mogrosides.

Neonatal hyper- and hypothyroidism alter the myoglobin gene expression program in adulthood

Myoglobin acts as an oxygen store and a reactive oxygen species acceptor in muscles. We examined myoglobin mRNA in rat cardiac ventricle and skeletal muscles during the first 42 days of life and the impact of transient neonatal hypo- and hyperthyroidism on the myoglobin gene expression pattern. Cardiac ventricle and skeletal muscles of Wistar rats at 7-42 days of life were quickly removed, and myoglobin mRNA was determined by Northern blot analysis. Rats were treated with propylthiouracil (5-10 mg/100 g) and triiodothyronine (0.5-50 µg/100 g) for 5, 15, or 30 days after birth to induce hypo- and hyperthyroidism and euthanized either just after treatment or at 90 days. During postnatal (P) days 7-28, the ventricle myoglobin mRNA remained unchanged, but it gradually increased in skeletal muscle (12-fold). Triiodothyronine treatment, from days P0-P5, increased the skeletal muscle myoglobin mRNA 1.5- to 4.5-fold; a 2.5-fold increase was observed in ventricle muscle, but only when triiodothyronine treatment was extended to day P15. Conversely, hypothyroidism at P5 markedly decreased (60%) ventricular myoglobin mRNA. Moreover, transient hyperthyroidism in the neonatal period increased ventricle myoglobin mRNA (2-fold), and decreased heart rate (5%), fast muscle myoglobin mRNA (30%) and body weight (20%) in adulthood. Transient hypothyroidism in the neonatal period also permanently decreased fast muscle myoglobin mRNA (30%) and body weight (14%). These results indicated that changes in triiodothyronine supply in the neonatal period alter the myoglobin expression program in ventricle and skeletal muscle, leading to specific physiological repercussions and alterations in other parameters in adulthood.

Physical exercise prevents motor disorders and striatal oxidative imbalance after cerebral ischemia-reperfusion

Stroke is the third most common cause of death worldwide, and most stroke survivors present some functional impairment. We assessed the striatal oxidative balance and motor alterations resulting from stroke in a rat model to investigate the neuroprotective role of physical exercise. Forty male Wistar rats were assigned to 4 groups: a) control, b) ischemia, c) physical exercise, and d) physical exercise and ischemia. Physical exercise was conducted using a treadmill for 8 weeks. Ischemia-reperfusion surgery involved transient bilateral occlusion of the common carotid arteries for 30 min. Neuromotor performance (open-field and rotarod performance tests) and pain sensitivity were evaluated beginning at 24 h after the surgery. Rats were euthanized and the corpora striata was removed for assay of reactive oxygen species, lipoperoxidation activity, and antioxidant markers. Ischemia-reperfusion caused changes in motor activity. The ischemia-induced alterations observed in the open-field test were fully reversed, and those observed in the rotarod test were partially reversed, by physical exercise. Pain sensitivity was similar among all groups. Levels of reactive oxygen species and lipoperoxidation increased after ischemia; physical exercise decreased reactive oxygen species levels. None of the treatments altered the levels of antioxidant markers. In summary, ischemia-reperfusion resulted in motor impairment and altered striatal oxidative balance in this animal model, but those changes were moderated by physical exercise.

Expression and function of endothelin and its receptors in vascular adventitial fibroblasts

Objective: The adventitia has been recognized to play important roles in vascular oxidative stress, remodelling and contraction. We recently demonstrated that adventitial fibroblasts are able to express endothelin-1 (ET-1) in response to angiotensin II (ANG II). However, the mechanisms by which ANG II induces ET-1 expression are unknown. It is also unclear whether the ET-1 receptors are expressed in the adventitia. We therefore examined the role of oxidative stress in the regulation of ET-1. We also investigated the expression of both the ETA and ETB receptors and the roles of these two types of receptors in collagen synthesis and ET-1 clearance in adventitial fibroblasts. Methods and Results: Adventitial fibroblasts were isolated and cultured from the thoracic mouse aorta. Cells were treated with ANG II (lOOnM), ET-1 (lOpM), NADPH oxidase inhibitor apocynin (lOOfiM), the superoxide anion scavenger tempol (lOOfiM), the ANG II receptor antagonists (100[aM), losartan (AT| receptor) and PD 1233 19 (AT2 receptor), the ET-1 receptor antagonists (lOOuM), BQ123 (ETA receptor) and BQ788 (ETB receptor), and the ETB receptor agonist (lOOnM) Sarafotoxin 6C. ET-1 peptide levels were determined by ELISA, while ETA ,ETB and collagen levels were determined by Western blot. ANG II increased ET-1 peptide levels in a time-dependent manner reaching significance when incubated for 24 hours. NAD(P)H oxidase inhibitor, apocynin, as well as the superoxide scanverger, tempol, significantly reduced ANG Il-induced ET-1 peptide levels while over-expression of SOD1 (endogenous antioxidant enzyme) significantly decreased ANG Il-induced collagen I expression, therefore implicating reactive oxygen species in the mediation of ET-1. ANG II increased ETA receptor protein as well as collagen in a similar fashion, reaching significance after 4, 6, and 24 hours treatment. ANG II induced collagen was reduced while in the presence of the ETA receptor antagonist suggesting the role of the ETa receptor in the regulation of the extracellular matrix. ANG II treatment also increased ETB receptor protein levels in a time-dependent manner. ANG II treatment in the presence of the ETB receptor antagonist significantly increased ET-1 peptide levels. On another hand, the ETB receptor agonist, Sarafotoxin 6C, significantly decreased ET-1 peptide levels. These data implicate the role of the ETb receptor in the clearance of the ET-1 peptide. Conclusion: ANG II-induced increases of ET-1 peptide appears to be mediated by reactive oxygen species derived from NAD(P)H oxidase. Both the ETA and ETB receptors are expressed in adventitial fibroblasts. The ETA receptor subtype mediates collagen I expression, while the ETB receptor may play a protective role through increasing the clearance of the ET- 1 peptide.

A dimensional analysis of the benzylic hydroxylase active site in mortierella isabellina

The spatial limits of the active site in the benzylic hydroxylase enzyme of the fungus Mortierella isabellina were investigated. Several molecular probes were used in incubation experiments to determine the acceptability of each compound by this enzyme. The yields of benzylic alcohols provided information on the acceptability of the particular compound into the active site, and the enantiomeric excess values provided information on the "fit" of acceptable substrates. Measurements of the molecular models were made using Cambridge Scientific Computing Inc. CSC Chem 3D Plus modeling program. i The dimensional limits of the aromatic binding pocket of the benzylic hydroxylase were tested using suitably substituted ethyl benzenes. Both the depth (para substituted substrates) and width (ortho and meta substituted substrates) of this region were investigated, with results demonstrating absolute spatial limits in both directions in the plane of the aromatic ring of 7.3 Angstroms for the depth and 7.1 Angstroms for the width. A minimum requirement for the height of this region has also been established at 6.2 Angstroms. The region containing the active oxygen species was also investigated, using a series of alkylphenylmethanes and fused ring systems in indan, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and benzocycloheptene substrates. A maximum distance of 6.9 Angstroms (including the 1.5 Angstroms from the phenyl substituent to the active center of the heme prosthetic group of the enzyme) has been established extending directly in ii front of the aromatic binding pocket. The other dimensions in this region of the benzylic hydroxylase active site will require further investigation to establish maximum allowable values. An explanation of the stereochemical distributions in the obtained products has also been put forth that correlates well with the experimental observations.

GABA accumulation and the hypersensitive response in isolated mesophyll cells treated with the G protein activator mastoparan

GABA (y-amino butyric acid) is a non-protein amino acid synthesized through the a-decarboxylation of L-glutamate. This reaction is catalyzed by L-glutamate decarboxylase (EC 4.1.1.15), a cytosolic Ca2+/calmodulin-stimulated enzyme. The purpose of this study is to determine whether or not GABA accumulation is associated with the hypersensitive response of isolated Asparagus sprengeri mesophyll cells. The addition of 25 J.lM mastoparan, a G protein activator, to suspensions of isolated asparagus mesophyll cells significantly increased GABA synthesis and cell death. Cell death was assessed using Evan's blue dye and fluorescein diacetate tests for cell viability. In addition, mastoparan stimulated pH-dependent alkalinization of the external medium, and a rapid and large 02 consumption followed by a loss of photosynthetic activity. The rate of 02 consumption and the net decrease in 02 in the dark was enhanced by light. The inactive mastoparan analogue Mas17 was ineffective in stimulating GABA accumulation, medium alkalinization, 02 uptake and cell death. Accumulation of H202 in response tomastoparan was not detected, however, mastoparan caused the cell-dependent degradation of added H202. The pH dependence of mastoparan-stimulated alkalinization suggests cellular electrolyte leakage, while the consumption of 02 corresponds to the oxidative burst in which 02 at the cell surface is reduced to form various active oxygen species. The results are indicative of the "hypersensitive response" of plants to pathogen attack, namely, the death of cells in the locality of pathogen invasion. The data are compatible with a model in which mastoparan triggers G protein activity, subsequent intracellular signal transduction pathway/s, and the hypersensitive response. It is postulated that the physiological elicitation of the hypersensitive response involves G protein signal transduction. The synthesis of GABA during the hypersensitive response has not been documented previously; however the role/s of GABA synthesis in the hypersensitive response, if any, remain unclear.

alpha-Tocopherol's Antioxidant Role: A Biophysical Perspective

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

Régulation de la lipoprotéine lipase macrophagique et de LOX-1 par des facteurs métaboliques. Implications dans l’athérosclérose associée au diabète de type 2.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de décès dans les pays occidentaux et constituent la principale complication associée au diabète. La lipoprotéine lipase (LPL) est une enzyme clé du métabolisme des lipides et est responsable de l'hydrolyse des lipoprotéines riches en triglycérides (TG). Plusieurs études ont démontré que la LPL sécrétée par les macrophages dans la paroi artérielle est pro-athérogénique. La dysfonction endothéliale caractérise les stades précoces du processus athérosclérotique. Il a été observé qu’un récepteur nouvellement identifié des lipoprotéines de basse densité oxydées (LDLox), le récepteur de type lectine des LDLox (LOX-1), est fortement exprimé dans les lésions athérosclérotiques humaines et dans l’aorte de rats diabétiques, suggérant un rôle clé de LOX-1 dans la pathogénèse de l’athérosclérose diabétique. Au vu du rôle potentiel de la LPL macrophagique et du LOX-1 dans l’athérosclérose associée au diabète de type 2, nous avons évalué la régulation de ces deux molécules pro-athérogéniques par des facteurs métaboliques et inflammatoires augmentés dans le diabète, soit la leptine, l’acide linoléique (LA) et la protéine C-réactive (CRP). Nos résultats démontrent que : 1) Dans les cellules endothéliales aortiques humaines (HAECs), LA augmente l’expression protéique de LOX-1 de façon temps- et dose-dépendante; 2) La pré-incubation de HAECs avec des antioxydants et des inhibiteurs de la NADPH oxydase, de la protéine kinase C (PKC) et du facteur nucléaire-kappa B (NF-kB), inhibe l’effet stimulant de LA sur l’expression protéique de LOX-1; 3) Dans les HAECs traitées avec LA, on observe une augmentation d’expression des isoformes classiques de la PKC; 4) LA augmente de manière significative l’expression génique de LOX-1 ainsi que la liaison des protéines nucléaires extraites des HAECs à la séquence régulatrice NF-kB présente dans le promoteur du gène de LOX-1; 5) LA augmente, via LOX-1, la captation des LDLox par les cellules endothéliales. Pris dans leur ensemble, ces résultats démontrent que LA augmente l’expression endothéliale de LOX-1 in vitro et appuient le rôle clé de LA dans la dysfonction endothéliale associée au diabète. Au vu de nos études antérieures démontrant qu’une expression accrue de LPL macrophagique chez les patients diabétiques de type 2 et que l’augmentation de facteurs métaboliques dans cette maladie, soit l’homocystéine (Hcys), les acides gras et les produits terminaux de glycation (AGE), accroissent l’expression de la LPL macrophagique, nous avons par la suite déterminé l’effet, in vitro, de deux autres facteurs métaboliques et inflammatoires surexprimés dans le diabète, soit la leptine et la CRP, sur l’expression de la LPL macrophagique. Les concentrations plasmatiques de leptine sont élevées chez les patients diabétiques et sont associées à un accroissement des risques cardiovasculaires. Nous avons démontré que : 1) Dans les macrophages humains, la leptine augmente l’expression de la LPL, tant au niveau génique que protéique; 2) L’effet stimulant de la leptine sur la LPL est aboli par la pré-incubation avec un anticorps dirigé contre les récepteurs à la leptine (Ob-R), des inhibiteurs de la PKC et des antioxydants; 3) La leptine augmente l’expression membranaire des isoformes classiques de la PKC et la diminution de l’expression endogène de la PKC, abolit l’effet de la leptine sur l’expression de la LPL macrophagique; 4) Dans les macrophages murins, la leptine augmente le taux de synthèse de la LPL et augmente la liaison de protéines nucléaires à la séquence protéine activée-1 (AP-1) du promoteur du gène de la LPL. Ces observations supportent la possibilité que la leptine puisse représenter un facteur stimulant de la LPL macrophagique dans le diabète. Finalement, nous avons déterminé, in vitro, l’effet de la CRP sur l’expression de la LPL macrophagique. La CRP est une molécule inflammatoire et un puissant prédicteur d’événements cardiovasculaires. Des concentrations élevées de CRP sérique sont documentées chez les patients diabétiques de type 2. Nous avons démontré que : 1) Dans les macrophages humains, la CRP augmente l’expression de la LPL au niveau génique et protéique et la liaison de la CRP aux récepteurs CD32 est nécessaire pour médier ses effets; 2) La pré-incubation de macrophages humains avec des antioxydants, des inhibiteurs de la PKC et de la protéine kinase mitogénique activée (MAPK), prévient l’induction de la LPL par la CRP; 3) La CRP augmente l’activité de la LPL, la génération intracellulaire d’espèces radicalaires oxygénées (ROS), l’expression d’isoformes classiques de la PKC et la phosphorylation des kinases extracellulaires régulées 1/2 (ERK 1/2); 4) Les macrophages murins traités avec la CRP démontrent une augmentation de la liaison des protéines nucléaires à la séquence AP-1 du promoteur du gène de la LPL. Ces données suggèrent que la LPL puisse représenter un nouveau facteur médiant les effets délétères de la CRP dans la vasculopathie diabétique. Dans l’ensemble nos études démontrent le rôle clé de facteurs métaboliques et inflammatoires dans la régulation vasculaire de la LPL et du LOX-1 dans le diabète. Nos données suggèrent que la LPL et le LOX-1 puissent représenter des contributeurs clé de l’athérogénèse accélérée associée au diabète chez l’humain. Mots-clés : athérosclérose, maladies cardiovasculaires, diabète de type 2, macrophage, LPL, cellules endothéliales, LOX-1, stress oxydatif, leptine, LA, CRP.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Impact du stress oxydant et de l’athérosclérose sur la fonction vasculaire cérébrale au cours du vieillissement

Dans les neurones et les cellules vasculaires cérébrales, les dérivés réactifs de l’oxygène jouent un double rôle puisqu’ils peuvent avoir à la fois des effets bénéfiques, à faibles concentrations, et des effets délétères, à des concentrations élevées. Chez la souris, la circulation cérébrale se distingue des autres lits vasculaires puisque le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est le principal médiateur endothélial relaxant endogène. L’objectif de notre première étude a été de caractériser l’implication physiologique du H2O2 dérivé de la eNOS dans la fonction endothéliale cérébrale de la souris. Nous avons voulu identifier les mécanismes impliqués dans la dilatation induite par l’augmentation de débit intra-luminal (flow-mediated dilation, FMD). La FMD est la réponse à un stimulus physiologique endothélial la plus représentative de la situation in vivo. Nous avons démontré que le H2O2, et non le monoxyde d’azote (NO), dérivant de l’activation de la eNOS cérébrale, est le principal médiateur de la FMD. Cependant, nous connaissons très peu de données sur l’évolution de la voie du H2O2 au cours du vieillissement qu’il soit associé ou non aux facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires. Au cours du vieillissement, au niveau périphérique, les facteurs endothéliaux constricteurs ou dilatateurs évoluent en fonction de l’augmentation de stress oxydant. La présence de facteurs de risque pour les maladies cardiovasculaires, telle que l’hypercholestérolémie, pourrait accentuer l’augmentation du stress oxydant et ainsi accélérer la dysfonction endothéliale. Au niveau cérébral, très peu de données sont disponibles. Dans le cadre de notre deuxième étude, nous avons émis l’hypothèse qu’un débalancement des facteurs endothéliaux pourrait être à l’origine (1) de la dysfonction endothéliale cérébrale observée au cours du vieillissement et (2) de la dysfonction endothéliale précoce qui apparaît en présence d’athérosclérose. Nos résultats ont montré que l’augmentation de stress oxydant associée au vieillissement conduit à une libération endogène accrue de TXA2 qui diminue la voie du H2O2 au niveau cérébral et, par conséquent, réduit la dilatation dépendante de l’endothélium. De plus, la présence d’athérosclérose accélère l’apparition de la dysfonction endothéliale cérébrale. Le rôle clé joué par le stress oxydant a été confirmé par un traitement préventif avec l’antioxydant catéchine qui a permis de renverser tous les effets délétères de l’athérosclérose sur les fonctions endothéliales cérébrales. Finalement, la dysfonction endothéliale cérébrale précoce, associée avec l’athérosclérose, pourrait non seulement augmenter l’incidence de développer des accidents vasculaires cérébraux (AVC) mais aussi induire une diminution du débit sanguin cérébral et, ultimement, affecter les fonctions neuronales. Dans le cadre de notre troisième étude, nous avons émis l’hypothèse que l’augmentation de stress oxydant est associée avec une diminution du débit sanguin cérébral et un déclin subséquent des fonctions cognitives. Nous avons utilisé des souris athérosclérotiques âgées de 3 mois que nous avons soumises, ou pas, à un traitement chronique à la catéchine. Nos travaux montrent qu’un traitement préventif avec la catéchine peut prévenir les effets néfastes de l’athérosclérose sur la FMD, le débit sanguin et le déclin des fonctions cognitives qui est normalement associé au vieillissement. Nos résultats ont permis de distinguer l’effet du vieillissement des effets de l’athérosclérose sur les fonctions vasculaires cérébrales. Le traitement préventif avec la catéchine a eu des effets bénéfiques marqués sur la fonction endothéliale cérébrale, le débit sanguin cérébral et les fonctions cognitives, démontrant le rôle clé de l’environnement redox dans la régulation des fonctions cérébrales.

Le diabète maternel influence la morphogenèse rénale et la programmation périnatale

Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel.

Stress oxydatif cérébrovasculaire et rupture de la barrière hémato-encéphalique dans le syndrome de Wernicke-Korsakoff expérimental

Le syndrome de Wernicke-Korsakoff (SWK) est un désordre neuropsychiatrique causé par la déficience en thiamine (DT). Dans la DT expérimentale comme dans le SWK, on observe une mort neuronale et des hémorragies dans certaines régions précises du diencéphale et du tronc cérébral. Les lésions diencéphaliques du SWK sont particulièrement sévères et entraînent souvent des séquelles amnésiques permanentes. Le lien entre la dysfonction métabolique induite par la DT et la mort neuronale n’est pas connu. Des rapports précédents ont démontré que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était altérée et ce, précédant l’apparition du dommage neuronal, suggérant un rôle critique de la dysfonction vasculaire. Les jonctions serrées (JS) interendothéliales, la base anatomique de la BHE, constituent un réseau moléculaire incluant l’occludin et les zonula occludens (ZOs). Cette thèse démontre une perte d’expression et une altération de la morphologie de ces protéines en relation avec la dysfonction de la BHE dans le thalamus de souris déficientes en thiamine, fournissant une explication pour la présence d’hémorragies. Le stress oxydatif peut entraîner des dommages directs aux protéines des JS et interférer avec leurs mécanismes de régulation. De plus, l’oxyde nitrique (NO) peut induire la métalloprotéinase matricielle-9 (MMP-9) impliquée dans la dégradation de ces protéines. L’endothélium vasculaire cérébral (EVC) semble être une source importante de NO dans la DT, l’expression de l’oxyde nitrique synthase endothéliale (eNOS) étant sélectivement induite dans les régions vulnérables. Le NO peut réagir avec les espèces réactives oxygénées et former du peroxynitrite, entraînant un stress oxydatif/nitrosatif endothélial. Les résultats présentés démontrent que la délétion du gène de eNOS prévient le stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, l’extravasation des immunoglobulins G (IgGs) et l’altération de l’occludin et des ZOs dans le thalamus de souris déficientes en thiamine. De plus, cette délétion prévient l’induction de l’expression de MMP-9 dans l’EVC. Des résultats similaires ont été obtenus avec l’antioxydant N-acétylcystéine (NAC). Les mécanismes précis par lesquels les espèces réactives altèrent les protéines des JS sont inconnus. Caveolin-1, une composante majeure du caveolæ de l’EVC, est impliquée dans la régulation de l’expression des protéines des JS, et celle-ci est modulée par le stress oxydatif/nitrosatif; l’altération de l’expression de caveolin-1 a été récemment associée à la rupture de la BHE. Les résultats présentés démontrent que l’expression de caveolin-1 est sélectivement altérée dans l’EVC du thalamus de souris déficientes en thiamine, coïcidant avec la rupture de la BHE, et démontrent que la normalisation de l’expression de caveolin-1 par le NAC est associée avec l’atténuation du dommage à la BHE. Pris ensemble, ces résultats démontrent un rôle central du stress oxydatif/nitrosatif cérébrovasculaire, particulièrement celui provenant de eNOS, dans l’altération des JS de la BHE via des dommages directs et via l’induction de MMP-9 et de caveolin-1. Cette rupture de la BHE contribue par conséquent à la mort neuronale dans le thalamus, puisque la prévention des altérations cérébrovasculaires par la délétion du gène de eNOS et le NAC atténue significativement la mort neuronale. L’administration précoce d’antioxydants en combinaison avec la thiamine devrait donc être une considération importante pour le traitement du SWK.