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Plants naturally produce the lipid-derived polyester cutin, which is found in the plant cuticle that is deposited at the outermost extracellular matrix of the epidermis covering nearly all aboveground tissues. Being at the interface between the cell and the external environment, cutin and the cuticle play important roles in the protection of plants from several stresses. A number of enzymes involved in the synthesis of cutin monomers have recently been identified, including several P450s and one acyl-CoA synthetase, thus representing the first steps toward the understanding of polyester formation and, potentially, polyester engineering to improve the tolerance of plants to stresses, such as drought, and for industrial applications. However, numerous processes underlying cutin synthesis, such as a controlled polymerization, still remain elusive. Suberin is a second polyester found in the extracellular matrix, most often synthesized in root tissues and during secondary growth. Similar to cutin, the function of suberin is to seal off the respective tissue to inhibit water loss and contribute to resistance to pathogen attack. Being the main constituent of cork, suberin is a plant polyester that has already been industrially exploited. Genetic engineering may be worth exploring in order to change the polyester properties for either different applications or to increase cork production in other species. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are attractive polyesters of 3-hydroxyacids because of their properties as bioplastics and elastomers. Although PHAs are naturally found in a wide variety of bacteria, biotechnology has aimed at producing these polymers in plants as a source of cheap and renewable biodegradable plastics. Synthesis of PHA containing various monomers has been demonstrated in the cytosol, plastids, and peroxisomes of plants. Several biochemical pathways have been modified in order to achieve this, including the isoprenoid pathway, the fatty acid biosynthetic pathway, and the fatty acid β-oxidation pathway. PHA synthesis has been demonstrated in a number of plants, including monocots and dicots, and up to 40% PHA per gram dry weight has been demonstrated in Arabidopsis thaliana. Despite some successes, production of PHA in crop plants remains a challenging project. PHA synthesis at high level in vegetative tissues, such as leaves, is associated with chlorosis and reduced growth. The challenge for the future is to succeed in synthesis of PHA copolymers with a narrow range of monomer compositions, at levels that do not compromise plant productivity. This goal will undoubtedly require a deeper understanding of plant biochemical pathways and how carbon fluxes through these pathways can be manipulated, areas where plant "omics" can bring very valuable contributions.

Xenopus peroxisome proliferator activated receptors: genomic organization, response element recognition, heterodimer formation with retinoid X receptor and activation by fatty acids.

Peroxisome proliferator activated receptors are ligand activated transcription factors belonging to the nuclear hormone receptor superfamily. Three cDNAs encoding such receptors have been isolated from Xenopus laevis (xPPAR alpha, beta, and gamma). Furthermore, the gene coding for xPPAR beta has been cloned, thus being the first member of this subfamily whose genomic organization has been solved. Functionally, xPPAR alpha as well as its mouse and rat homologs are thought to play an important role in lipid metabolism due to their ability to activate transcription of a reporter gene through the promoter of the acyl-CoA oxidase (ACO) gene. ACO catalyzes the rate limiting step in the peroxisomal beta-oxidation of fatty acids. Activation is achieved by the binding of xPPAR alpha on a regulatory element (DR1) found in the promoter region of this gene, xPPAR beta and gamma are also able to recognize the same type of element and are, as PPAR alpha, able to form heterodimers with retinoid X receptor. All three xPPARs appear to be activated by synthetic peroxisome proliferators as well as by naturally occurring fatty acids, suggesting that a common mode of action exists for all the members of this subfamily of nuclear hormone receptors.

Fatty acids and retinoids control lipid metabolism through activation of peroxisome proliferator-activated receptor-retinoid X receptor heterodimers.

The nuclear hormone receptors called PPARs (peroxisome proliferator-activated receptors alpha, beta, and gamma) regulate the peroxisomal beta-oxidation of fatty acids by induction of the acyl-CoA oxidase gene that encodes the rate-limiting enzyme of the pathway. Gel retardation and cotransfection assays revealed that PPAR alpha heterodimerizes with retinoid X receptor beta (RXR beta; RXR is the receptor for 9-cis-retinoic acid) and that the two receptors cooperate for the activation of the acyl-CoA oxidase gene promoter. The strongest stimulation of this promoter was obtained when both receptors were exposed simultaneously to their cognate activators. Furthermore, we show that natural fatty acids, and especially polyunsaturated fatty acids, activate PPARs as potently as does the hypolipidemic drug Wy 14,643, the most effective activator known so far. Moreover, we discovered that the synthetic arachidonic acid analogue 5,8,11,14-eicosatetraynoic acid is 100 times more effective than Wy 14,643 in the activation of PPAR alpha. In conclusion, our data demonstrate a convergence of the PPAR and RXR signaling pathways in the regulation of the peroxisomal beta-oxidation of fatty acids by fatty acids and retinoids.

Expression of the peroxisome proliferator-activated receptor alpha gene is stimulated by stress and follows a diurnal rhythm.

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear hormone receptors that can be activated by fatty acids and peroxisome proliferators. The PPAR alpha subtype mediates the pleiotropic effects of these activators in liver and regulates several target genes involved in fatty acid catabolism. In primary hepatocytes cultured in vitro, the PPAR alpha gene is regulated at the transcriptional level by glucocorticoids. We investigated if this hormonal regulation also occurs in the whole animal in physiological situations leading to increased plasma corticosterone levels in rats. We show here that an immobilization stress is a potent and rapid stimulator of PPAR alpha expression in liver but not in hippocampus. The injection of the synthetic glucocorticoid dexamethasone into adult rats produces a similar increase in PPAR alpha expression in liver, whereas the administration of the antiglucocorticoid RU 486 inhibits the stress-dependent stimulation. We conclude that glucocorticoids are major mediators of the stress response. Consistent with this hormonal regulation, hepatic PPAR alpha mRNA and protein levels follow a diurnal rhythm, which parallels that of circulating corticosterone. To test the effects of variations in PPAR alpha expression on PPAR alpha target gene activity, high glucocorticoid-dependent PPAR alpha expression was mimicked in cultured primary hepatocytes. Under these conditions, hormonal stimulation of receptor expression synergizes with receptor activation by WY-14,643 to induce the expression of the PPAR alpha target gene acyl-CoA oxidase. Together, these results show that regulation of the PPAR alpha expression levels efficiently modulates PPAR activator signaling and thus may affect downstream metabolic pathways involved in lipid homeostasis.

Activation of peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) by their ligands and protein kinase A activators.

The nuclear peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) alpha, beta, and gamma activate the transcription of multiple genes involved in lipid metabolism. Several natural and synthetic ligands have been identified for each PPAR isotype but little is known about the phosphorylation state of these receptors. We show here that activators of protein kinase A (PKA) can enhance mouse PPAR activity in the absence and the presence of exogenous ligands in transient transfection experiments. Activation function 1 (AF-1) of PPARs was dispensable for transcriptional enhancement, whereas activation function 2 (AF-2) was required for this effect. We also show that several domains of PPAR can be phosphorylated by PKA in vitro. Moreover, gel retardation experiments suggest that PKA stabilizes binding of the liganded PPAR to DNA. PKA inhibitors decreased not only the kinase-dependent induction of PPARs but also their ligand-dependent induction, suggesting an interaction between both pathways that leads to maximal transcriptional induction by PPARs. Moreover, comparing PPAR alpha knockout (KO) with PPAR alpha WT mice, we show that the expression of the acyl CoA oxidase (ACO) gene can be regulated by PKA-activated PPAR alpha in liver. These data demonstrate that the PKA pathway is an important modulator of PPAR activity, and we propose a model associating this pathway in the control of fatty acid beta-oxidation under conditions of fasting, stress, and exercise.

PPARbeta regulates vitamin A metabolism-related gene expression in hepatic stellate cells undergoing activation.

Activation of cultured hepatic stellate cells correlated with an enhanced expression of proteins involved in uptake and storage of fatty acids (FA translocase CD36, Acyl-CoA synthetase 2) and retinol (cellular retinol binding protein type I, CRBP-I; lecithin:retinol acyltransferases, LRAT). The increased expression of CRBP-I and LRAT during hepatic stellate cells activation, both involved in retinol esterification, was in contrast with the simultaneous depletion of their typical lipid-vitamin A (vitA) reserves. Since hepatic stellate cells express high levels of peroxisome proliferator activated receptor beta (PPARbeta), which become further induced during transition into the activated phenotype, we investigated the potential role of PPARbeta in the regulation of these changes. Administration of L165041, a PPARbeta-specific agonist, further induced the expression of CD36, B-FABP, CRBP-I, and LRAT, whereas their expression was inhibited by antisense PPARbeta mRNA. PPARbeta-RXR dimers bound to CRBP-I promoter sequences. Our observations suggest that PPARbeta regulates the expression of these genes, and thus could play an important role in vitA storage. In vivo, we observed a striking association between the enhanced expression of PPARbeta and CRBP-I in activated myofibroblast-like hepatic stellate cells and the manifestation of vitA autofluorescent droplets in the fibrotic septa after injury with CCl4 or CCl4 in combination with retinol.

Modification of the monomer composition of polyhydroxyalkanoate synthesized in Saccharomyces cerevisiae expressing variants of the beta-oxidation-associated multifunctional enzyme.

Expression by Saccharomyces cerevisiae of a polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase modified at the carboxy end by the addition of a peroxisome targeting signal derived from the last 34 amino acids of the Brassica napus isocitrate lyase (ICL) and containing the terminal tripeptide Ser-Arg-Met resulted in the synthesis of PHA. The ability of the terminal peptide Ser-Arg-Met and of the 34-amino-acid peptide from the B. napus ICL to target foreign proteins to the peroxisome of S. cerevisiae was demonstrated with green fluorescent protein fusions. PHA synthesis was found to be dependent on the presence of both the enzymes generating the beta-oxidation intermediate 3-hydroxyacyl-coenzyme A (3-hydroxyacyl-[CoA]) and the peroxin-encoding PEX5 gene, demonstrating the requirement for a functional peroxisome and a beta-oxidation cycle for PHA synthesis. Using a variant of the S. cerevisiae beta-oxidation multifunctional enzyme with a mutation inactivating the B domain of the R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, it was possible to modify the PHA monomer composition through an increase in the proportion of the short-chain monomers of five and six carbons.

Contributions of the peroxisome and β-oxidation cycle to biotin synthesis in fungi.

The first step in the synthesis of the bicyclic rings of D-biotin is mediated by 8-amino-7-oxononanoate (AON) synthase, which catalyzes the decarboxylative condensation of l-alanine and pimelate thioester. We found that the Aspergillus nidulans AON synthase, encoded by the bioF gene, is a peroxisomal enzyme with a type 1 peroxisomal targeting sequence (PTS1). Localization of AON to the peroxisome was essential for biotin synthesis because expression of a cytosolic AON variant or deletion of pexE, encoding the PTS1 receptor, rendered A. nidulans a biotin auxotroph. AON synthases with PTS1 are found throughout the fungal kingdom, in ascomycetes, basidiomycetes, and members of basal fungal lineages but not in representatives of the Saccharomyces species complex, including Saccharomyces cerevisiae. A. nidulans mutants defective in the peroxisomal acyl-CoA oxidase AoxA or the multifunctional protein FoxA showed a strong decrease in colonial growth rate in biotin-deficient medium, whereas partial growth recovery occurred with pimelic acid supplementation. These results indicate that pimeloyl-CoA is the in vivo substrate of AON synthase and that it is generated in the peroxisome via the β-oxidation cycle in A. nidulans and probably in a broad range of fungi. However, the β-oxidation cycle is not essential for biotin synthesis in S. cerevisiae or Escherichia coli. These results suggest that alternative pathways for synthesis of the pimelate intermediate exist in bacteria and eukaryotes and that Saccharomyces species use a pathway different from that used by the majority of fungi.

Neuropathogenesis in glutaric aciduria type I and methylmalonic aciduria

Glutaric aciduria type-I (GA-I) and methylmalonic aciduria (MMA-uria) are two neurometabolic diseases manifesting in neonatal period and early childhood. They belong to the group of organic acidurias and are caused by defects in the catabolism of amino acids, leading to massive accumulation of toxic metabolites in the body and severe brain injury. Therapeutic strategies are mainly based on reversing catabolic state during metabolic crisis and dietary protein restriction that both aim to prevent extra production of toxic metabolites. Specific and neuroprotective treatments are missing because the mechanisms of brain damage in these diseases are only poorly understood. The principal objective of my work was to develop in vitro models for both diseases aiming at elucidation of toxic effects of the main metabolites accumulating in GA-I (glutaric acid (GA) and 3-hydroxy glutaric acid (3-OHGA)) and MMA-uria (methylmalonic acid (MMA), propionic acid (PA) and 2-methylcitric acid (2-MCA)) on developing brain cells, and to study the cellular pathways targeted by these deleterious effects in order to find new therapeutic potentials. We used re-aggregated embryonic rat brain cells in organotypic 3D cultures, which were exposed to toxic metabolites at different developing stages of the cultures. In parallel, we studied the cellular localization of the defected enzyme in GA-I, glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH), in the brain and peripheral tissues of rats in adulthood and during embryonic development. GCDH expression: GCDH showed a strong neuronal expression in embryonic central and peripheral nervous system. In the adult brain, GCDH expression was exclusively neuronal with the strongest signal in cerebral cortex and Purkinje cells. GCDH expression was homogenous in embryonic peripheral organs with high levels in intestinal mucosa at late stages. Strong GCDH expression was also observed in liver and intestinal mucosa and with lower intensity in muscles, convoluted renal tubules and renal collecting tubes in adult peripheral organs. GA-I and MMA-uria in vitro models: 3-OHGA (for GA-I) and 2-MCA (for MMA-uria) showed the most deleterious effects at early stages of the cultures with morphological and biochemical alterations and induction of cell death. 3-OHGA and 2-MCA caused astrocytic cell suffering reflected by astrocytic fiber loss and swelling and retardation in oligodendrocytic maturation and/or differentiation. High ammonium increase concomitant with glutamine decrease was observed in these cultures. Neurons were not substantially affected. Our studies revealed that brain-cell generated ammonia may play a role in the neuropathogenesis of these diseases. Thus, developing neuroprotective strategies that target ammonium toxicity in the brain of GA-I and MMA-uria patients might be important according to our findings. -- L'acidurie glutarique de type I (GA-I) et l'acidurie méthylmalonique (MMA-urie) sont deux maladies neurométaboliques se manifestant durant la période néonatale ou la petite enfance, et qui appartiennent aux aciduries organiques. Elles sont causées par des défauts dans le catabolisme des acides aminés, conduisant à une accumulation des métabolites toxiques dans le corps et aussi des lésions cérébrales sévères. Le traitement est limité à une prise en charge d'urgence pendant la crise métabolique et à une diète restreinte en protéines naturelles. Des traitements spécifiques, neuroprotecteurs manquent principalement parce que les mécanismes conduisant aux lésions cérébrales dans ces maladies sont peu connus. L'objectif principal de mon travail était d'élucider les effets toxiques des métabolites accumulés dans GA-I (l'acide glutarique (GA) et l'acide 3-hydroxyglutarique (3-OHGA)) et MMA-uria (l'acide méthylmalonique (MMA), l'acide propionique (PA) et l'acide 2-méthylcitrique(2-MCA) sur les cellules du cerveau ainsi que les voies cellulaires impliquées, dans le but de trouver de potentielles nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons utilisé un modèle in vitro de cultures 3D de cellules de cerveau d'embryons de rat (en développement) en les exposant aux métabolites toxiques à différents stades de développement des cultures. En parallèle, nous avons étudié la localisation cellulaire de l'enzyme déficiente dans GA-I, la CoA-glutarly déshydrogénase (GCDH), dans le cerveau et les organes périphériques des rats adultes et pendant le développement embryonnaire. L'expression de GCDH: GCDH a montré une expression neuronale forte dans le système nerveux chez l'embryon et le cerveau adulte. L'expression était homogène dans les organes périphériques avec une forte expression dans l'intestin. Les modèles in vitro de GA-I et MMA-uria : 3-OHGA en modèle GA-I et 2-MCA en modèle MMA-uria ont montré les effets délétères les plus importants avec des altérations morphologiques des cellules et biochimiques dans le milieu de culture et l'induction de mort cellulaire non-apoptotique (3-OHGA) ou apoptotique (2-MCA). 3-OHGA et 2-MCA ont provoqué une souffrance astrocytaire avec perte des fibres et gonflement et un retard de maturation et/ou de différentiation des oligodendrocytes. Une augmentation importante d'ammonium avec une diminution concomitante de glutamine a été observée dans les cultures. Les neurones n'étaient pas vraiment affectés. Nos études ont révélé que l'ammonium généré par les cellules cérébrales pourrait jouer un rôle dans la neuropathogenèse de ces deux maladies. Par conséquent, développer des stratégies neuroprotectrices ciblant la toxicité de l'ammonium dans le cerveau des patients atteints de GA-I ou MMA-urie pourrait être très important selon nos résultats.

Ginseng administration protects skeletal muscle from oxidative stress induced by acute exercise in rats

Enzymatic activity was analyzed in the soleus, gastrocnemius (red and white) and plantaris muscles of acutely exercised rats after long-term administration of Panax ginseng extract in order to evaluate the protective role of ginseng against skeletal muscle oxidation. Ginseng extract (3, 10, 100, or 500 mg/kg) was administered orally for three months to male Wistar rats weighing 200 ± 50 g before exercise and to non-exercised rats (N = 8/group). The results showed a membrane stabilizing capacity of the extract since mitochondrial function measured on the basis of citrate synthase and 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activities was reduced, on average, by 20% (P < 0.05) after exercise but the activities remained unchanged in animals treated with a ginseng dose of 100 mg/kg. Glutathione status did not show significant changes after exercise or treatment. Lipid peroxidation, measured on the basis of malondialdehyde levels, was significantly higher in all muscles after exercise, and again was reduced by about 74% (P < 0.05) by the use of ginseng extract. The administration of ginseng extract was able to protect muscle from exercise-induced oxidative stress irrespective of fiber type.

Métabolisme énergétique cardiaque fœtal dans un modèle de restriction de croissance intra-utérine chez le rat

Une diète faible en sodium donnée à des rates lors de la dernière semaine de gestation induit une diminution de l’expansion volumique, du diamètre des artères utérines et du poids des placentas comparativement à des rates témoins. Ces perturbations suggèrent une diminution de la perfusion placentaire affectant l’apport foetal en nutriments. Les ratons naissent avec une restriction de croissance intra-utérine (RCIU). Chez le foetus, le substrat énergétique cardiaque principal est le glucose via la glycolyse. À la naissance, la source principale d’énergie est l’utilisation des acides gras par la β-oxydation. Nous émettons l’hypothèse que dans ce modèle de RCIU, le coeur foetal répond à la diminution d’apport nutritionnel due à une atteinte maternelle en adaptant son métabolisme énergétique cardiaque à la baisse. Les rates gestantes (témoins et recevant la diète faible en sodium) sont sacrifiées au jour 22 de gestation (sur 23). Les coeurs foetaux sont prélevés afin de caractériser les protéines dites « limitantes » in vitro des voies de la glycolyse et de la β-oxydation. Les expressions protéiques de GLUT1, GLUT4, HK1, HK2, CPT2, CPT1β, cytochrome c, PFK1, PKM1/2, mesurées par immunobuvardage de type Western, sont similaires entre les coeurs des foetus RCIU et témoins, mâles et femelles. L’expression protéique de CPT1α est diminuée dans les coeurs des femelles RCIU seulement. Il n’existe aucune différence significative entre les différents groupes quant à l’activité enzymatique de PKM1/2. Nos résultats dressent un profil métabolique général suggérant que le sexe du foetus peut avoir un effet sur la réponse cardiaque foetale à une atteinte du volume sanguin maternel causée par la diète restreinte en sodium. Ce profil métabolique semble démontrer une atteinte du catabolisme des lipides. Afin de bien caractériser cette réponse du mécanisme énergétique, l’activité enzymatique des autres enzymes principales de la glycolyse (HK1, HK2, PFK1), le flux intra-mitochondrial d’acyl CoA à travers les CPTs ainsi que la quantité totale d’acétyl CoA devront être quantifiés.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Carence en œstrogènes et bases moléculaires du métabolisme des triglycérides et du cholestérol dans le foie et l'intestin : effet de l'exercice physique

La stéatose hépatique et la détérioration du profil lipidique plasmatique sont des pathologies métaboliques favorisées par la carence œstrogénique post-ménopausique. Cependant les mécanismes à la base de ces pathologies n’ont été que très peu étudiés. Le but de cette thèse a été d’investiguer les mécanismes moléculaires possibles à l’origine de l’hypercholestérolémie et de l’accumulation des lipides (triglycérides : TG et cholestérol) dans le foie en utilisant un modèle animal de la ménopause, la rate Sprague Dawley ovariectomisée (Ovx). Nous avons également examiné si le changement des habitudes de vie comme la pratique de l’exercice physique pouvait prévenir ou corriger les modifications induites par l’Ovx. Enfin, rosuvastatine (statine) a été utilisée comme thérapie pharmacologique de l’hypercholestérolémie dans le but de comprendre son effet au niveau moléculaire chez la rate Ovx. L’objectif de la première étude était de déterminer comment l’Ovx peut affecter les niveaux de TG et de cholestérol dans le foie des rates nourries avec une diète riche en lipides (HF : 42% gras). Les rates ont été soumises à la diète HF ou normale pendant 6 semaines avant d’être Ovx ou Sham (ovariectomie simulée), puis maintenues aux mêmes conditions diététiques pour 6 autres semaines. L’Ovx a provoqué une accumulation de TG dans le foie, mais pas la diète HF seule. Cependant, lorsque l’Ovx était combinée à la diète HF, l’accumulation des TG était beaucoup plus importante comparé à ce qui était observé chez les rates Ovx soumises à la diète normale. L’expression génique (ARNm) de CPT1 (Carnitine palmitoyltransferase 1), PGC1α (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1) et PPARα (Peroxysome proliferetor activated receptor alpha) intervenant dans l’oxydation des acides gras dans le foie était augmentée par la diète HF (p ˂ 0.001; p ˂ 0.01; p ˂ 0.05 respectivement) ; mais atténuée (p ˂ 0.05; p ˂ 0.05; p ˂ 0.07 respectivement) lorsque les rates ont été Ovx, favorisant ainsi l’accumulation des TG dans le foie. La combinaison de la diète HF à l’Ovx a également provoqué une hypercholestérolémie et une accumulation de cholestérol dans le foie malgré la diminution de l’expression de la HMGCoA-r (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase), enzyme clé de la synthèse du cholestérol. Ceci était associé à l’inhibition de l’expression génique de CYP7a1 (Cytochrome P450, family 7, subfamily a, polypeptide 1), suggérant une diminution de la synthèse des acides biliaires. Ayant constaté dans la première étude que l’Ovx élevait les niveaux de cholestérol hépatique et plasmatique, nous nous sommes fixés comme objectif dans la deuxième étude d’évaluer les effets de l’Ovx sur l’expression génique des transporteurs et enzymes responsables du métabolisme du cholestérol et des acides biliaires dans le foie et l’intestin, et de vérifier si l’exercice sur tapis roulant pouvait prévenir ou corriger les changements causés par l’Ovx. L’hypercholestérolémie constatée chez les rates Ovx comparativement aux Sham était accompagnée de la diminution de l’expression génique des récepteurs des LDL (R-LDL), des résidus de lipoprotéines (LRP1), de SREBP-2 (Sterol regulatory element binding protein 2) et de PCSK9 (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) dans le foie, suggérant une défaillance dans la clairance des lipoprotéines plasmatiques. L’Ovx a aussi inhibé l’expression génique de la MTP (Microsomal triglyceride transfer protein) et stimulé celle de SR-B1 (Scavenger receptor class B, member 1); mais aucun changement n’a été observé avec CYP7a1. Ces changements moléculaires pourraient par conséquent favoriser l’accumulation de cholestérol dans le foie. L’exercice physique n’a pas corrigé les modifications causées par l’Ovx sur l’expression génique de ces molécules au niveau hépatique à l’exception de SREBP-2. Par contre, au niveau intestinal (iléum), l’exercice sur tapis roulant a inhibé l’expression génique des marqueurs moléculaires intervenant dans l’absorption des acides biliaires (OSTα/β, FXR, RXRα, Fgf15) et du cholestérol (LXRα, NCP1L1) au niveau de l’iléum chez les rates Sham entraînées. Ces adaptations pourraient prévenir le développement de l’hypercholestérolémie protégeant en partie contre la survenue de l’athérosclérose. Au vue des effets délétères (hypercholestérolémie et diminution de l’expression du R-LDL, PCSK9, LRP1, SREBP-2 et HMGCOA-r dans le foie) causés par l’Ovx sur le métabolisme du cholestérol constatés dans l’étude 2, la 3ième étude a été conçue pour évaluer l’efficacité de rosuvastatine (Ros) sur l’expression génique de ces marqueurs moléculaires chez les rates Ovx sédentaires ou soumises à l’entraînement volontaire. Ros a été administrée aux rates Ovx pendant 21 jours par voie sous-cutanée à la dose de 5mg/kg/j à partir de la 9ième semaine après l’Ovx. Ros n’a pas diminué la concentration plasmatique de LDL-C et de TC chez les rates Ovx. Par contre, Ros a stimulé (P ˂ 0.05) l’expression génique de PCSK9, SREBP-2, LRP1, HMGCoA-r et ACAT2 (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase) mais pas significativement (P = 0.3) celle du R-LDL dans le foie des rates Ovx sédentaires et entraînées. Ros n’a pas réduit la concentration plasmatique de LDL-C probablement à cause de l’induction plus importante de PCSK9 par rapport au R-LDL. Cependant, la stimulation de LRP1 par Ros protège partiellement contre la survenue des maladies cardiovasculaires. En conclusion, les études de cette thèse indiquent que la baisse du niveau des œstrogènes entraîne des changements radicaux du métabolisme hépatique des TG et du cholestérol provoqués par des altérations de l’expression des gènes clés des voies métaboliques associées.

Caractérisation et régulation du métabolisme des acides gras dans l’hypothalamus

Un déséquilibre de la balance énergétique constitue la principale cause du développement des pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2. Au sein du cerveau, l’hypothalamus joue un rôle primordial dans le contrôle de la prise alimentaire et du métabolisme périphérique via le système nerveux autonome. Ce contrôle, repose sur l’existence de différentes populations neuronales au sein de l’hypothalamus médio-basal (MBH), neurones à neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AgRP), et neurones a proopiomelanocortine (POMC), dont l’activité est directement modulée par les variations des taux circulants des nutriments tels que le glucose et les acides gras (FA). Alors que les mécanismes de détection et le métabolisme intracellulaire du glucose ont été largement étudiés, l’implication du métabolisme intracellulaire des FA dans leurs effets centraux, est très peu comprise. De plus, on ignore si le glucose, module le métabolisme intracellulaire des acides gras à longue chaine (LCFA) dans le MBH. Le but de notre première étude est, de déterminer l'impact du glucose sur le métabolisme des LCFA, le rôle de l’AMP-activated protein kinase (AMPK), kinase détectrice du statut énergétique cellulaire, et d'établir s’il y a des changements dans le métabolisme des LCFA en fonction de leur structure, du type cellulaire et de la région cérébrale. Nos résultats montrent que le glucose inhibe l'oxydation du palmitate via l’AMPK dans les neurones et les astrocytes primaires hypothalamiques, in vitro, ainsi que dans les explants du MBH, ex vivo, mais pas dans les astrocytes et les explants corticaux. De plus, le glucose augmente l'estérification du palmitate et non de l’oléate dans les neurones et les explants du MBH, mais pas dans les astrocytes hypothalamiques. Ces résultats décrivent le devenir métabolique de différents LCFA dans le MBH, ainsi que, la régulation AMPK - dépendante de leur métabolisme par le glucose dans les astrocytes et les neurones, et démontrent pour la première fois que le métabolisme du glucose et des LCFA est couplé spécifiquement dans les noyaux du MBH, dont le rôle est critique pour le contrôle de l'équilibre énergétique. Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à déterminer les mécanismes intracellulaires impliqués dans le rôle de la protéine de liaison ACBP dans le métabolisme central des FA. Nous avons démontré que le métabolisme de l’oléate et non celui du palmitate est dépendant de la protéine ACBP, dans les astrocytes hypothalamiques ainsi que dans les explants du MBH. Ainsi, nos résultats démontrent qu’ACBP, protéine identifiée originellement au niveau central, comme un modulateur allostérique des récepteurs GABA, agit comme un régulateur du métabolisme intracellulaire des FA. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche liées à la régulation du métabolisme des acides gras au niveau central, ainsi que, la nouvelle fonction de la protéine ACBP dans la régulation du métabolisme des FA au niveau du système nerveux central. Ceci aiderait à identifier des cibles moléculaires pouvant contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques de pathologies telles que l’obésité et le diabète de type 2.

Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum

"Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum" Das Dictyostelium discoideum Gen fcsA kodiert für ein 75 kDa großes Protein. Es kann durch Homologieanyalysen der Amino-säuresequenz zu den "long-chain fatty acyl-CoA"-Synthetasen ge-rechnet werden, die lang-kettige Fettsäuren durch die kovalente Bindung von Coenzym A akti-vie-ren und damit für diverse Reak-tionen in Stoffwechsel und Molekül-Synthese der Zelle verfügbar machen. Die hier untersuchte D. discoideum LC-FACS lokalisiert als peripher assoziiertes Protein an der cytosolischen Seite der Membran von Endo-somen und kleiner Vesikel. Bereits kurz nach der Bildung in der frühen sauren Phase kann die Lokalisation der LC-FACS auf Endosomen ge-zeigt werden. Sie dissoziiert im Laufe ihrer Neutra-li-sierung und kann auf späten Endosomen, die vor ihrer Exocytose stehen nicht mehr nach-gewiesen werden. Ein Teil der kleinen die in der gesamte Zelle verteilten kleinen Vesikel zeigt eine Kolokalisation mit lysosomalen Enzymen. Trotz des intrazellulären Verteilungs-mus-ters, das eine Beteiligung dieses Pro-teins an der Endocytose nahe-legt, konnte kein signifikanter Rückgang der Pino- und Phagocytose-Rate in LC-FACS Nullmutanten beobachtet werden. Der endo-cy-to-ti-sche Transit ist in diesen Zellen etwas verlängert, außerdem zeigen die Endosomen einen deutlich erhöhten pH-Wert, was zu einer weniger effektiven Prozessierung eines lysosomalen Enzyms führt (a-Mannosidase). Die Funktion der LC-FACS ist die Aufnahme von langkettigen Fettsäuren aus dem Lumen der Endosomen.