玉米高产优质生产中若干生理生态问题的研究

玉米（Zea mays L.）是我国十分重要粮食、饲料和工业原料作物，种植区域覆盖我国大部分农业区。随着玉米品种改良和新栽培技术的应用，我国玉米产量大幅度增加。自1950s以来，我国玉米产量递增幅度为126kg/hm2/yr。在玉米产量提高过程中，单叶光合作用与产量之间存在什么样的关系？当代玉米品种的品质和养分利用效率如何？高密度种植条件下是否存在“根系拥挤”及如何调控等。为探讨上述科学问题，本研究选择中国北方常见的大田玉米品种，在高肥力自然光照条件下，探讨玉米高产优质栽培过程中生理生态特征的变化趋势，以指导科学育种和栽培。主要研究结果如下： 　　1）光合与产量的演变我国 1950s、1970s、1990s等不同年代推广的玉米品种中，当代品种叶片光合速率高且高值持续期长，光合色素叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素等的含量高且持续时间长，与光合有关的蒸腾速率（E.）、细胞间隙CO2浓度（Ci.）、气孔导度（gs）等也有较大改良，中下部叶片尤其明显;在生育后期，当代品种具有更高的光合优势。老品种饱和光合速率(Psat)在灌浆期下降，并非RuBPCase 和PEPCase的活性降低，而是由于叶绿素含量和可溶性蛋白含量的降低。在花后期间，由于PS2功能的下降，造成了光合能力下降，而现代品种的PS2 功能在衰老前一致保持旺盛状态。 　　老品种光合特征对缺氮的反应表现更敏感。花后缺氮光合作用下降是非气孔限制的，因为气孔导度和胞间CO2浓度没有发生明显的变化。其主要原因是缺素造成老品种叶片早衰，叶绿素含量、可溶性蛋白含量、PEP羧化酶活性下降。现代品种表现较强的抗衰老能力，其N素利用效用高于老品种。我国玉米产量的大幅度提高在很大程度上应归功于叶片光合性能的改良。 　　随玉米品种更替，群体光合速率增强，群体光合衰减率降低，呼吸消耗所占总光合的百分率下降。灌浆期当代品种中下部叶片的群体光合速率明显高于老品种。种植密度是影响玉米群体光合速率的主要因素，在高中低三种密度条件下，当代品种均有较高的群体光合速率，表现出耐密性强、适应性广、源足库大、产量高的特点。 　　2）高油玉米的产量受到叶源大小和叶源活力的双重限制在 1.5 株/m2密度下，与普通玉米相比较，高油玉米单株籽粒产量显著低于普通玉米，产量构成中穗粒数差异不显著，千粒重较低（P＜0.01）;两类型玉米的单株库容量相当，高油玉米籽粒灌浆速率小，籽粒充实度低，单粒重对叶源相对减少（剪叶）或相对增多（疏库）的反应比普通玉米更为敏感，其产量受到同化产物供应（叶源）相对不足的限制。高油玉米授粉后的叶面积、叶面积持续期小，叶片含氮量和光合速率较低，说明高油玉米的产量受到叶源活力（光合速率）小和叶源数量少的双重限制。 　　3）我国北方玉米品种的个体产量潜力、氮素利用效率及籽粒与秸秆粗蛋白质含量在充分发挥个体生产潜力的低密度条件下，我国北方1990s 以来大面积种植的50个玉米主栽品种中，个体产量潜力和氮素利用效率高度正相关(P=0.01)，而子粒千粒重与NUE 呈显著性负相关(P=0.002)。对玉米产量和氮素利用效率进行分层聚类，可将北方玉米品种划分为高产高NUE 型、低产低NUE 型和中间型，高产高NUE 型玉米品种相对较少，仅占24%。籽粒粗蛋白质含量（CPC）与秸秆CPC 相关性不显著（P＞0.05）。对籽粒和秸秆的CPC 进行分层聚类，将北方玉米品种划分为籽粒高秸秆低型、籽粒与秸秆双低型和籽粒与秸秆双高型，CPC 双高型品种相对较少，仅占20%。 　　4）玉米根系拥挤效应对产量影响的生理生态机制及其调控随玉米品种更替根系的空间分布呈“横向紧缩，纵向延伸”的特点。当代三类型玉米根系分布特性与株型、穗型相关。紧凑型品种根系分布深，下层根系所占比率大，适合密植，群体产量潜力大;平展大穗型品种根量多，分布较浅，在低密度下可获得较高的个体生产力，但不适合密植，群体产量潜力小。 　　“根系拥挤”显著影响玉米产量，减小根系横向伸展空间，下层土壤中的根系分配比率增多。在地上部充分生长条件下，紧凑型品种横向空间为30-50cm即可满足要求，平展型品种大于50cm;紧凑型品种对纵向空间受限制的反应更为敏感，平展型品种对横向空间受限制的反应更为敏感。“根系拥挤”影响根系活性、分布、氮素吸收利用和花后光合与14C同化物的分配。 　　在根系受限制条件下，增施肥料产量提高，根系总重增加，增加了根系在深层土壤（60-100cm）中的根系比率，显著增加了根系的TTC 还原量、SOD、CAT、POD活性。土壤加沙，根量减少，但根系TTC 还原量增加、产量提高，提高幅度以大穗型品种更为显著。 　　随种植密度增加耕层根系密度与群体产量同步增大，各类品种均在最高根系密度下获得最高产量。根系负荷的籽粒产量潜力三类型品种存在极大差异，在一定范围内增大种植密度，根系伸展空间减小，群体产量提高，紧凑大穗型品种产量最高，品种的耐密性是限制根系负荷籽粒产量潜力的主导因素。因此，培育株型紧凑、耐密性强、大穗玉米良种，采取有效的调控措施是玉米进一步高产的主攻方向。 　　5）我国夏玉米高产田的培创理论研究与实践相结合，2005 年在我国华北地区的山东莱州培创出籽粒实产21 042.9kg/hm2 （ 14% 含水量， 实收面积=45.7m×15.9m=726.63m2）的夏玉米高产纪录。主要采用以增加密度为保障的“群体结构性挖潜”和以提高整齐度为保障的“个体功能性挖潜”途径，生理生态指标包括：选用紧凑抗倒耐密植品种DH3719，种植密度102 030 株/hm2，收获密度98 610 株/hm2，花后具有较长的叶面积高值持续期，达60d以上，叶面积指数最大为6.53，收获2.59。上部叶片光合值对外界光强度变化敏感，其光合峰值出现时间提前，而后迅速衰减;中部叶片光合值的降低较慢，下部叶片变幅最小，可能是长期处于争光环境表现出的生态适应性。粒叶比0.32，经济系数0.542，单株产量216g，千粒重375.1g。

谷子和甘蔗C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的克隆及其转基因水稻光合效率的提高

水稻是我国重要的粮食作物之一，它是一种典型的C3植物。与其它C3作物不一样的是，水稻的生长需要相对较高的温度和充足的阳光照射。然而高温和高光强的生长环境更加适合于C4植物的生长，更加有利于发挥C4植物高光合效率的特点。因此本论文希望将C4植物中固定CO2的酶磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因导入水稻，获得一种更加适合高温和高光强生活环境的“C4型”水稻，这对于提高水稻的产量，满足人口增长对粮食需求具有重大意义。 本论文从C4植物谷子和甘蔗中克隆了其C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶cDNA基因，获得了具有自主知识产权的基因克隆，并将它们导入粳稻品种中花8号，进而对转基因材料的光合生理特性进行了研究。结果如下： 首次从谷子中得到了ppc基因两个cDNA克隆，分别命名为Mppc1和Mppc2。前者是一个C3型的ppc基因，它可能属于在根中特异表达的C3-2型ppc基因;后者是在绿色叶片中大量表达的C4型ppc基因。它们所编码的蛋白的氨基酸残基数分别为961和964，序列同源性为82.5%。C4型PEPC多出的3个氨基酸位于N末端。利用RACE的方法我们得到了谷子C4型ppc基因完整的cDNA序列，包括63bp的5'非编码区，2895bp的编码区和256bp的3'非编码区。 首次获得了甘蔗C4型ppc基因完整的cDNA序列的克隆，命名为Sppc。它包括95bp的5'非编码区、2886bp的编码区，和224bp的3'非编码区。 利用所克隆的基因，分别连上强组成型启动子Ubiquitin启动子和强光调控启动子Rubisco小亚基启动子后，再插入两个标记基因不同的表达载体pCB和pPCB的多克隆位点中，构建了八个含有外源ppc基因的植物表达载体pCB-Pubi-Mppc、pCB-Pubi-Sppc、pCB-PrbcS-Mppc、pCB-PrbcS-Sppc、pPCB-Pubi-Mppc、pPCB-Pubi-Sppc、pPCB-PrbcS-Mppc和pPCB-PrbcS-Sppc。再加上含有玉米完整的C4型ppc 核基因的载体pCB-ZMppc，共有9个载体。利用农杆菌介导法进行了水稻的转化，各个载体都获得了大量的转基因植株。对标记基因潮霉素磷酸转移酶基因hpt和磷酸甘露糖异构酶基因pmi以及导入的目的ppc基因的PCR扩增检测，结果显示绝大多数转基因植株都能扩增出目的片段，而未转化的植株则没有扩增产物。对部分转基因水稻的Southern和Western杂交以及RT-PCR分析都表明，无论从DNA水平、mRNA水平，还是从蛋白质水平上都证明外源ppc基因都成功地导入了水稻，并获得了正确的表达。 对各载体转基因植株PEPC活性大规模的测定表明，转入玉米完整C4型PEPC核基因（有内含子）的水稻表现出极大的表达效率，大多数转基因材料的PEPC活性为对照的10-20倍，其活性最高可达到对照的44倍。转入谷子和甘蔗PEPC基因cDNA的水稻，表达的效率很低，多数材料活性增加仅为对照的2-5倍，但也有极少数材料活性增加了10倍以上。用Rubisco小亚基启动子控制的ppc基因在水稻的表达活性要略高于Ubiquitin启动子控制的ppc基因。以上结果说明ppc基因的内含子在其转录或mRNA的稳定上起着重要作用。 对部分转基因材料气体交换特征的研究发现，随着转基因水稻PEPC活性的增加，净光合速率也有逐渐增加的趋势。其中PEPC活性最大的ZM24株系的三个单株净光合速率比对照增加了39.8%、13.7%和28.6%，而它们的PEPC活性比对照分别增加了21.2、21.9和23.6倍。 转PEPC水稻的净光合速率与气孔导度具有显著的相关性。这说明表达的外源ppc 基因产物PEPC参与了转基因水稻的气孔运动，使气孔开放程度增加。更有意义的是过表达PEPC的水稻具有更高的水分利用效率，这就增加了其耐旱能力。在光抑制条件下转基因水稻也具有更高的光合能力。这些特征表明转ppc基因的水稻比对照更加适合于水稻高温高光强和干旱的原生环境。

Seasonal changes in the biochemical composition of liver in Garra mullya (Sykes)

Seasonal changes taking place in the biochemical constituents of liver of G. mullya are reported. An inverse relationship was noticed in the variation of fat and water. Maximum fat contents were observed during june-july. Reserve fat was utilized through gluconeogenesis during the spawning months. Protein and glycogen percentages were comparatively higher in liver than in the muscles and gonads. Decline in the glycogen content was associated with spawning during July to November. Nutritive values have shown more energy contents in the liver during pre-spawning months.

Analysis of the mechanism and regulation of lactose transport and metabolism in Clostridium acetobutylicum ATCC 824.

Although the acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation of Clostridium acetobutylicum is currently uneconomic, the ability of the bacterium to metabolise a wide range of carbohydrates offers the potential for revival based on the use of cheap, low grade substrates. We have investigated the uptake and metabolism of lactose, the major sugar in industrial whey waste, by C. acetobutylicum ATCC 824. Lactose is taken up via a phosphoenolpyruvate (PEP)-dependent phosphotransferase system (PTS) comprising both soluble and membrane-associated components, and the resulting phosphorylated derivative is hydrolysed by a phospho--galactosidase. These activities are induced during growth on lactose, but are absent in glucose-grown cells. Analysis of the C. acetobutylicum genome sequence identified a gene system, lacRFEG, encoding a transcriptional regulator of the DeoR family, IIA and IICB components of a lactose PTS, and phospho--galactosidase. During growth in medium containing both glucose and lactose, C. acetobutylicum exhibited a classical diauxic growth, and the lac operon was not expressed until glucose was exhausted from the medium. The presence upstream of lacR of a potential catabolite responsive element (cre) encompassing the transcriptional start site is indicative of the mechanism of carbon catabolite repression characteristic of low-GC Gram-positive bacteria. A pathway for the uptake and metabolism of lactose by this industrially important organism is proposed.

Alterações metabólicas no diabético

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

The role of metabolism in the pathogenesis of adherent invasive Escherichia coli (AIEC)

Crohn’s disease (CD) is a chronic, relapsing inflammatory condition affecting the gastrointestinal tract of humans, of which there is currently no cure. The precise etiology of CD is unknown, although it has become widely accepted that it is a multifactorial disease which occurs as a result of an abnormal immune response to commensal enteric bacteria in a genetically susceptible host. Recent studies have shown that a new group of Escherichia coli, called Adherent Invasive Escherichia coli (AIEC) are present in the guts of CD patients at a higher frequency than in healthy subjects, suggesting that they may play a role in the initiation and/or maintenance of the inflammation associated with CD. Two phenotypes define an AIEC and differentiate them from other groups of E. coli. Firstly, AIEC can adhere to and invade epithelial cells; and secondly, they can replicate in macrophages. In this study, we use a strain of AIEC which has been isolated from the colonic mucosa of a CD patient, called HM605, to examine the relationship between AIEC and the macrophage. We show, using a systematic mutational approach, that while the Tricarboxylic acid (TCA) cycle, the glyoxylate pathway, the Entner-Doudoroff (ED) pathway, the Pentose Phosphate (PP) pathway and gluconeogenesis are dispensable for the intramacrophagic growth of HM605, glycolysis is an absolute requirement for the ability of this organism to replicate intracellularly. We also show that HM605 activates the inflammasome, a major driver of inflammation in mammals. Specifically, we show that macrophages infected with HM605 produce significantly higher levels of the pro-inflammatory cytokine IL-1β than macrophages infected with a non-AIEC strain, and we show by immunoblotting that this is due to cleavage of caspase-1. We also show that macrophages infected with HM605 exhibit significantly higher levels of pyroptosis, a form of inflammatory cell death, than macrophages infected with a non-AIEC strain. Therefore, AIEC strains are more pro-inflammatory than non-AIEC strains and this may have important consequences in terms of CD pathology. Moreover, we show that while inflammasome activation by HM605 is independent of intracellular bacterial replication, it is dependent on an active bacterial metabolism. Through the establishment of a genetic screen aimed at identifying mutants which activate the inflammasome to lower levels than the wild-type, we confirm our observation that bacterial metabolism is essential for successful inflammasome activation by HM605 and we also uncover new systems/structures that may be important for inflammasome activation, such as the BasS/BasR two-component system, a type VI secretion system and a K1 capsule. Finally, in this study, we also identify a putative small RNA in AIEC strain LF82, which may be involved in modulating the motility of this strain. Overall this works shows that, in the absence of specialised virulence factors, the ability of AIEC to metabolise within the host cell may be a key determinant of its pathogenesis.

The purification and characterization of phosphonopyruvate hydrolase, a novel carbon-phosphorus bond cleavage enzyme from Variovorax sp. Pal2.

Phosphonopyruvate hydrolase, a novel bacterial carbon-phosphorus bond cleavage enzyme, was purified to homogeneity by a series of chromatographic steps from cell extracts of a newly isolated environmental strain of Variovorax sp. Pal2. The enzyme was inducible in the presence of phosphonoalanine or phosphonopyruvate; unusually, its expression was independent of the phosphate status of the cell. The native enzyme had a molecular mass of 63 kDa with a subunit mass of 31.2 kDa. Activity of purified phosphonopyruvate hydrolase was Co2+-dependent and showed a pH optimum of 6.7–7.0. The enzyme had a Km of 0.53 mM for its sole substrate, phosphonopyruvate, and was inhibited by the analogues phosphonoformic acid, 3-phosphonopropionic acid, and hydroxymethylphosphonic acid. The nucleotide sequence of the phosphonopyruvate hydrolase structural gene indicated that it is a member of the phosphoenolpyruvate phosphomutase/isocitrate lyase superfamily with 41% identity at the amino acid level to the carbon-to-phosphorus bond-forming enzyme phosphoenolpyruvate phosphomutase from Tetrahymena pyriformis. Thus its apparently ancient evolutionary origins differ from those of each of the two carbon-phosphorus hydrolases that have been reported previously; phosphonoacetaldehyde hydrolase is a member of the haloacetate dehalogenase family, whereas phosphonoacetate hydrolase belongs to the alkaline phosphatase superfamily of zinc-dependent hydrolases. Phosphonopyruvate hydrolase is likely to be of considerable significance in global phosphorus cycling, because phosphonopyruvate is known to be a key intermediate in the formation of all naturally occurring compounds that contain the carbon-phosphorus bond.

Structure and kinetics of phosphonopyruvate hydrolase from Variovorax sp. Pal2: New insight into the divergence of catalysis within the PEP mutase/isocitrate lyase superfamily .

Phosphonopyruvate (P-pyr) hydrolase (PPH), a member of the phosphoenolpyruvate (PEP) mutase/isocitrate lyase (PEPM/ICL) superfamily, hydrolyzes P-pyr and shares the highest sequence identity and functional similarity with PEPM. Recombinant PPH from Variovorax sp. Pal2 was expressed in Escherichia coli and purified to homogeneity. Analytical gel filtration indicated that the protein exists in solution predominantly as a tetramer. The PPH pH rate profile indicates maximal activity over a broad pH range.The steady-state kinetic constants determined for a rapid equilibrium ordered kinetic mechanism with Mg+2 binding first (Kd =140 ± 40 M), are kcat = 105 ± 2 s-1 and P-pyr Km = 5 ± 1 M. PEP (slow substrate kcat = 2 × 10-4 s-1), oxalate, and sulfopyruvate are competitive inhibitors with Ki values of 2.0 ± 0.1 mM, 17 ± 1 M, and 210 ± 10 M, respectively. Three PPH crystal structures have been determined, that of a ligand-free enzyme, the enzyme bound to Mg2+ and oxalate (inhibitor), and the enzyme bound to Mg2+ and P-pyr (substrate). The complex with the inhibitor was obtained by cocrystallization, whereas that with the substrate was obtained by briefly soaking crystals of the ligand-free enzyme with P-pyr prior to flash cooling. The PPH structure resembles that of the other members of the PEPM/ICL superfamily and is most similar to the functionally related enzyme, PEPM. Each monomer of the dimer of dimers exhibits an (/)8 barrel fold with the eighth helix swapped between two molecules of the dimer. Both P-pyr and oxalate are anchored to the active site by Mg2+. The loop capping the active site is disordered in all three structures, in contrast to PEPM, where the equivalent loop adopts an open or disordered conformation in the unbound state but sequesters the inhibitor from solvent in the bound state. Crystal packing may have favored the open conformation of PPH even when the enzyme was cocrystallized with the oxalate inhibitor. Structure alignment of PPH with other superfamily members revealed two pairs of invariant or conservatively replaced residues that anchor the flexible gating loop. The proposed PPH catalytic mechanism is analogous to that of PEPM but includes activation of a water nucleophile with the loop Thr118 residue.

Biochemical characterisation of triose phosphate isomerase from the liver fluke Fasciola hepatica

Triose phosphate isomerase (TPI) catalyses the interconversion of dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde 3-phosphate, a reaction in the glycolytic pathway. TPI from the common liver fluke, Fasciola hepatica, has been cloned, sequenced and recombinantly expressed in Escherichia coli. The protein has a monomeric molecular mass of approximately 28 kDa. Crosslinking and gel filtration experiments demonstrated that the enzyme exists predominantly as a dimer in solution. F. hepatica TPI is predicted to have a ß-barrel structure and key active site residues (Lys-14, His-95 and Glu-165) are conserved. The enzyme shows remarkable stability to both proteolytic degradation and thermal denaturation. The melting temperature, estimated by thermal scanning fluorimetry, was 67 °C and this temperature was increased in the presence of either dihydroxyacetone phosphate or glyceraldehyde 3-phosphate. Kinetic studies showed that F. hepatica TPI demonstrates Michaelis-Menten kinetics in both directions, with Km values for dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde 3-phosphate of 2.3 mM and 0.66 mM respectively. Turnover numbers were estimated at 25,000 s(-1) for the conversion of dihydroxyacetone phosphate and 1900 s(-1) for the conversion of glyceraldehyde 3-phosphate. Phosphoenolpyruvate acts as a weak inhibitor of the enzyme. F. hepatica TPI has many features in common with mammalian TPI enzymes (e.g. ß-barrel structure, homodimeric nature, high stability and rapid kinetic turnover). Nevertheless, recent successful identification of specific inhibitors of TPI from other parasites, suggests that small differences in structure and biochemical properties could be exploited in the development of novel, species-specific inhibitors.

Effects of infused amino acids on glucose production and utilization in healthy human subjects.

Amino acids have been reported to increase endogenous glucose production in normal human subjects during hyperinsulinemia: however, controversy exists as to whether insulin-mediated glucose disposal is inhibited under these conditions. The effect of an amino acid infusion on glucose oxidation rate has so far not been determined. Substrate oxidation rates, endogenous glucose production, and [13C]glucose synthesis from [13C]bicarbonate were measured in six normal human subjects during sequential infusions of exogenous glucose and exogenous glucose with (n = 5) or without (n = 5) exogenous amino acids. Amino acids increased endogenous glucose production by 84% and [13C]glucose synthesis by 235%. Glucose oxidation estimated from indirect calorimetry decreased slightly after amino acids, but glucose oxidation estimated from [13C]glucose-13CO2 data was increased by 14%. It is concluded that gluconeogenesis is the major pathway of amino acid degradation. During amino acid administration, indirect calorimetry underestimates the true rate of glucose oxidation, whereas glucose oxidation calculated from the 13C enrichment of expired CO2 during [U-13C]glucose infusion does not. A slight stimulation of glucose oxidation during amino acid infusion, concomitant with an increased plasma insulin concentration, indicates that amino acids do not inhibit glucose oxidation.

Evidence for hypothalamic ketone body sensing: impact on food intake and peripheral metabolic responses in mice.

Monocarboxylates have been implicated in the control of energy homeostasis. Among them, the putative role of ketone bodies produced notably during high-fat diet (HFD) has not been thoroughly explored. In this study, we aimed to determine the impact of a specific rise in cerebral ketone bodies on food intake and energy homeostasis regulation. A carotid infusion of ketone bodies was performed on mice to stimulate sensitive brain areas for 6 or 12 h. At each time point, food intake and different markers of energy homeostasis were analyzed to reveal the consequences of cerebral increase in ketone body level detection. First, an increase in food intake appeared over a 12-h period of brain ketone body perfusion. This stimulated food intake was associated with an increased expression of the hypothalamic neuropeptides NPY and AgRP as well as phosphorylated AMPK and is due to ketone bodies sensed by the brain, as blood ketone body levels did not change at that time. In parallel, gluconeogenesis and insulin sensitivity were transiently altered. Indeed, a dysregulation of glucose production and insulin secretion was observed after 6 h of ketone body perfusion, which reversed to normal at 12 h of perfusion. Altogether, these results suggest that an increase in brain ketone body concentration leads to hyperphagia and a transient perturbation of peripheral metabolic homeostasis.

La néoglucogenèse rénale : un nouvel aspect dans la restriction de croissance intra-utérine chez le rat

Bien que l’environnement intra-utérin défavorable soit associé à des conditions pathologiques à l’âge adulte, les mécanismes mis en place in utero ne sont pas encore élucidés. Nous avons établi un modèle de restriction de croissance intra-utérine (RCIU) en donnant une diète faible en sodium à la rate pendant la dernière semaine de gestation. Ce modèle se caractérise par une diminution de perfusion placentaire et une redistribution du flot sanguin, favorisant l’irrigation des organes nobles (cœur et cerveau) au détriment du rein fœtal. De plus, l’expression rénale du facteur de croissance endothéliale vasculaire (VEGF) est diminuée chez le fœtus. L’hypothèse de travail est que la néoglucogenèse hépatique et rénale augmente chez les fœtus RCIU afin de compenser la diminution de perfusion placentaire, et que l’expression rénale des récepteurs de VEGF (Flt-1 et Flk-1) est altérée à la suite de la redistribution du flot sanguin. Nos objectifs étaient de comparer l’expression protéique des enzymes de la néoglucogenèse et des récepteurs de VEGF entre les fœtus témoins et RCIU. L’aldolase B, la fructose-1,6-biphosphatase et la glucose-6-phosphatase augmentent dans les reins de fœtus RCIU par rapport aux témoins alors qu’aucun changement n’est observé dans le foie. De plus, l’expression de ces enzymes est différente selon le sexe du fœtus. Une diminution de Flt-1 est notée dans les reins de fœtus RCIU. Nos résultats démontrent que des adaptations surviennent chez le fœtus à la suite d’une insulte intra-utérine favorisant sa survie mais ayant des conséquences telles que la dysfonction rénale observée chez les adultes de ce modèle animal. À long terme, ces travaux pourront permettre d’entrevoir des avenues pour mieux identifier les approches de prévention lors de naissance à la suite d’une RCIU.

Contribution différentielle du tissu adipeux mâle et femelle dans l’établissement du diabète de type 2 et des altérations cardiovasculaires : rôle de l’apport lipidique

Au cours des dernières années, il est devenu évident que les sociétés des pays industrialisés sont à haut risque de maladies métaboliques. Une alimentation riche en énergie (lipide/glucide), combinée à une sédentarité accrue, est un facteur environnemental contribuant à l'augmentation de la prévalence de maladies reliées spécifiquement à des troubles endocriniens comme l'obésité et le diabète. Le traitement de ces désordres métaboliques doit donc passer par la connaissance et la compréhension des mécanismes moléculaires qui contrôlent ces désordres et le développement de traitements ciblés vers les facteurs responsables. Le tissu adipeux est une glande endocrine qui sécrète des substances, regroupées sous le terme d'adipokines, qui contrôlent l'homéostasie énergétique. L'augmentation de la masse adipeuse est responsable du développement de dérégulation hormonale qui mène à des dysfonctions physiologiques et métaboliques. Pour contrecarrer le développement démesuré du tissu adipeux, la signalisation insulinique ainsi que l’apport énergétique, responsables de la différenciation adipocytaire, doivent être inhibés. In vivo, la leptine, adipokine dont la concentration est corrélée à la masse adipeuse, présente des actions pro ou anti-insuliniques dans l’organisme pour réguler ce phénomène. Elle favorise l’effet inhibiteur de l’insuline sur la synthèse hépatique de glucose alors qu’elle s’oppose à son action sur l’expression des enzymes glucokinase et phosphoénol-pyruvate carboxykinase. La leptine influence aussi le taux circulant de triglycérides en diminuant sa concentration plasmatique. D'autre part, l'adiponectine, adipokine insulino- sensibilisante, voit sa sécrétion diminuée avec la prise de poids. La sensibilité à l'insuline est ainsi diminuée au fur et à mesure que le débalancement de ces deux adipokines s'accentue. La résistance à l'insuline s'installe alors pour s'opposer au stockage énergétique et à la prise illimitée de poids et la glycémie augmente. L'augmentation du glucose sanguin stimule la sécrétion d'insuline au niveau des cellules pancréatiques. C'est le diabète caractérisé par une hyperglycémie et une résistance à l'insuline. Le diabète, une des premières causes de mortalité dans le monde, est plus répandu sous sa forme non insulinodépendante (diabète de type 2, DT2) liée à l'obésité. Récemment, différents facteurs de transcription ont été identifiés comme régulateurs de l'expression d'une panoplie de gènes impliqués dans le métabolisme glucidique et lipidique. Parmi eux, les récepteurs des inducteurs de la prolifération des peroxysomes (PPAR, Peroxisome Proliferator-Activated Receptor), appartenant à la famille des récepteurs nucléaires. Les PPAR ont été démontrés comme ayant un rôle central dans le contrôle de la transcription des gènes codants pour des protéines impliquées dans le métabolisme : les adipokines. PPARg, en plus de son implication dans le contrôle de l'homéostasie glucidique et lipidique, est reconnu comme étant un facteur de transcription pivot régulant l'adipogenèse du fait de son expression majeure dans le tissu adipeux. D'autre part, il est bien établi maintenant que l'obésité et le diabète sont des facteurs contribuant au développement du processus inflammatoire vasculaire caractéristique de l’athérosclérose. En effet, les cellules endothéliales et musculaires lisses, principales composantes de la média de l’artère, sont très sensibles aux altérations métaboliques. Une diminution de la sensibilité à l’insuline entraine une réduction de la disponibilité du glucose et l’utilisation des acides gras comme alternatif par ces cellules. Ceci induit l’accumulation des acides gras oxydés dans l’intima et leur filtration dans la média pour former un core lipidique. Bien que l’induction de la dysfonction endothéliale soit impliquée très précocement, certaines études pointent l’accumulation lipidique dans les cellules musculaires lisses vasculaires (CML) et leur dysfonction comme déclencheurs de l’athérosclérose. Ce travail visait donc, dans un premier temps, à développer un modèle d'altérations métaboliques liées à la modulation de l'activité du tissu adipeux via une alimentation riche en lipides. Dans un second temps, cette étude tentait d'évaluer l’impact des adipocytes de souris sur les CML vasculaires et sur la modulation de leurs fonctions dans ce modèle d'altérations métaboliques et DT2 liés à l'alimentation et à l'obésité. Ainsi, par le biais de deux diètes pauvres en cholestérol à profil lipidique différent, nous avons développé un modèle murin présentant divers stades d'altérations du métabolisme allant jusqu'au DT2 en lien avec l'obésité chez les mâles et chez les femelles. D’autre part, des signes de cardiomyopathie ainsi qu’une modulation du taux des adipokines sont reliés à ces mêmes diètes. Parallèlement, l’activité de PPAR!2 est modulée chez les souris sous diètes enrichies en gras. Ensuite, nous avons démontré que les adipocytes, provenant de souris alimentées avec une diète enrichie en gras, modulaient la migration et la prolifération des CML comparativement au groupe contrôle. Ces modulations dépendaient en grande partie de la nature de la diète consommée, mais également du sexe de la souris. Par ailleurs, les altérations fonctionnelles des CML, couplées à des modulations géniques, sont associées aux changements du profil de sécrétion des adipokines mesurées chez les adipocytes. L’ensemble de ces travaux suggère une action directe de la nature de la stimulation du tissu adipeux blanc dans la modulation du profil de sécrétion des adipokines et l'induction du DT2 in vivo. Ces altérations de la physiologie adipocytaire se reflètent in vitro où le tissu adipeux contribue aux altérations physiopathologiques des CML liées au DT2. Ainsi, cette étude est l'une des premières à établir un lien direct entre les modulations adipocytaires et les effets de leurs sécrétions sur la physiologie des CML. Ces observations peuvent être exploitées cliniquement dans un développement futur d’outils thérapeutiques visant à prévenir et à traiter les troubles métaboliques et le DT2, en ciblant le tissu adipeux comme entité métabolique et endocrine.

Physiopathologie des maladies métaboliques héréditaires des acyls-Coenzyme A révélée par l’étude d’un modèle animal déficient en 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-Coenzyme A lyase

La plupart des conditions détectées par le dépistage néonatal sont reliées à l'une des enzymes qui dégradent les acyls-CoA mitochondriaux. Le rôle physiopathologique des acyls-CoA dans ces maladies est peu connue, en partie parce que les esters liés au CoA sont intracellulaires et les échantillons tissulaires de patients humains ne sont généralement pas disponibles. Nous avons créé une modèle animal murin de l'une de ces maladies, la déficience en 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA lyase (HL), dans le foie (souris HLLKO). HL est la dernière enzyme de la cétogenèse et de la dégradation de la leucine. Une déficience chronique en HL et les crises métaboliques aigües, produisent chacune un portrait anormal et distinct d'acyls-CoA hépatiques. Ces profils ne sont pas prévisibles à partir des niveaux d'acides organiques urinaires et d'acylcarnitines plasmatiques. La cétogenèse est indétectable dans les hépatocytes HLLKO. Dans les mitochondries HLLKO isolées, le dégagement de 14CO2 à partir du [2-14C]pyruvate a diminué en présence de 2-ketoisocaproate (KIC), un métabolite de la leucine. Au test de tolérance au pyruvate, une mesure de la gluconéogenèse, les souris HLLKO ne présentent pas la réponse hyperglycémique normale. L'hyperammoniémie et l'hypoglycémie, des signes classiques de plusieurs erreurs innées du métabolisme (EIM) des acyls-CoA, surviennent de façon spontanée chez des souris HLLKO et sont inductibles par l'administration de KIC. Une charge en KIC augmente le niveau d'acyls-CoA reliés à la leucine et diminue le niveau d'acétyl-CoA. Les mitochondries des hépatocytes des souris HLLKO traitées avec KIC présentent un gonflement marqué. L'hyperammoniémie des souris HLLKO répond au traitement par l'acide N-carbamyl-L-glutamique. Ce composé permet de contourner une enzyme acétyl-CoA-dépendante essentielle pour l’uréogenèse, le N-acétylglutamate synthase. Ceci démontre un mécanisme d’hyperammoniémie lié aux acyls-CoA. Dans une deuxième EIM des acyls-CoA, la souris SCADD, déficiente en déshydrogénase des acyls-CoA à chaînes courtes. Le profil des acyls-CoA hépatiques montre un niveau élevé du butyryl-CoA particulièrement après un jeûne et après une charge en triglycérides à chaîne moyenne précurseurs du butyryl-CoA.

Serotonin Receptor Gene Expression And Insulin Function In Streptozotocin Induced Diabetic Rats

Recent studies have established a fimctional correlation of serotonergic and adrenergic function in the brain regions with insulin secretion in diabetic rats (Vahabzadeh et al., 1995). Administration of 5-HT”. agonist 8-OH-DPAT to conscious rats caused an increase in blood glucose level. This increase in blood glucose is due to inhibition of insulin secretion by increased circulating EPI (Chaouloff et al., 1990a; Chaouloff et al., 1990d; Chaoulo1T& Jeanrenaud, 1987). The increase in EPI is brought about by increased sympathetic stimulation. This increase can lead to increased sympatho-medullary stimulation thereby inhibiting insulin release (Bauhelal & Mir, 1993, Bauhelal & Mir, 1990a; Chaouloffet al., 1990d). Also, studies have shown that Gi protein in the liver has been decreased in diabetes which will increase gluconeogenesis and glycogenolysis thereby causing hyperglycaemia (Pennington, 1987). Serotonergic control is suggested to exert different effects on insulin secretion according to the activation of different receptor subclasses (Pontiroli et al., 1975). In addition to this mechanism, the secretion of insulin is dependent on the turnover ratio of endogenous 5-hydroxy tryptophan (5-HTP) to 5-HT in the pancreatic islets (Jance er al., 1980). The reports so far stated does not explain the complete mechanism and the subclass of 5-HT receptors whose expression regulate insulin secretion in a diabetic state. Also, there is no report of a direct regulation of insulin secretion by 5-HT from the pancreatic islets even though there are reports stating that the pancreatic islets is a rich source of 5-HT (Bird et al., 1980). Therefore, in the present study the mechanism by which 5-HT and its receptors regulate insulin secretion from pancreatic [3-cells was investigated. Our results led to the following hypotheses by which 5-HT and its receptors regulate the insulin secretion.