Gene transfer of the Ly-3 chain gene of the mouse CD8 molecular complex: co-transfer with the Ly-2 polypeptide gene results in detectable cell surface expression of the Ly-3 antigenic determinants.

The CD8 molecule is a glycoprotein expressed on a subset of mature T lymphocytes. It has been postulated to be a receptor for class I major histocompatibility complex molecules. In the mouse, CD8 is a heterodimer composed of Ly-2 and Ly-3 chains. We have isolated and analyzed cDNA and cosmid clones corresponding to the Ly-3 subunit. One of the isolated, cosmid clones was subsequently transfected, alone or in combination with the Ly-2 gene, into mouse Ltk- cells. Analysis of the Ly-2,3 molecules expressed at the surface of the double transfectants indicated that they are serologically and biochemically indistinguishable from their normal counterparts expressed on lymphoid cells. Ltk- cells transfected with the Ly-2 gene alone were shown to react with a subset of anti-CD8 monoclonal antibodies whereas Ly-3 transfectants did not stain with any of the anti-Ly-3 antibodies employed in this study. Since at least one of these antibodies (53-5.8) has been previously shown to recognize an epitope which is retained on the Ly-3 subunit after dissociation of the heterodimeric Ly-2,3 complex, these observations suggest that the expression of the Ly-2 polypeptide is required to permit the detectable cell surface expression of the antigenic determinants carried by the Ly-3 subunit.

Gene transfer of a soluble IL-1 type 2 receptor-Ig fusion protein improves cardiac allograft survival in rats.

OBJECTIVE: Interleukin-1 (IL-1) mediates ischemia-reperfusion injury and graft inflammation after heart transplantation. IL-1 affects target cells through two distinct types of transmembrane receptors, type-1 receptor (IL-1R1), which transduces the signal, and the non-signaling type-2 receptor (IL-1R2), which acts as a ligand sink that subtracts IL-1beta from IL-1R1. We analyzed the efficacy of adenovirus (Ad)-mediated gene transfer of a soluble IL-1R2-Ig fusion protein in delaying cardiac allograft rejection and the mechanisms underlying the protective effect. METHODS: IL-1 inhibition by IL-1R2-Ig was tested using an in vitro functional assay whereby endothelial cells preincubated with AdIL-1R2-Ig or control virus were stimulated with recombinant IL-1beta or tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha), and urokinase-type plasminogen activator (u-PA) induction was measured by zymography. AdIL-1R2-Ig was delivered to F344 rat donor hearts ex vivo, which were placed in the abdominal position in LEW hosts. Intragraft inflammatory cell infiltrates and proinflammatory cytokine expression were analyzed by immunohistochemistry and real-time reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR), respectively. RESULTS: IL-1R2-Ig specifically inhibited IL-1beta-induced u-PA responses in vitro. IL-1R2-Ig gene transfer reduced intragraft monocytes/macrophages and CD4(+) cell infiltrates (p<0.05), TNF-alpha and transforming growth factor-beta (TGF-beta) expression (p<0.05), and prolonged graft survival (15.6+/-5.7 vs 10.3+/-2.5 days with control vector and 10.1+/-2.1 days with buffer alone; p<0.01). AdIL-1R2-Ig combined with a subtherapeutic regimen of cyclosporin A (CsA) was superior to CsA alone (19.4+/-3.0 vs 15.9+/-1.8 days; p<0.05). CONCLUSIONS: Soluble IL-1 type-2 receptor gene transfer attenuates cardiac allograft rejection in a rat model. IL-1 inhibition may be useful as an adjuvant therapy in heart transplantation.

Structure of the glycosyl-phosphatidylinositol membrane anchor of the Leishmania major promastigote surface protease.

In common with many other plasma membrane glycoproteins of eukaryotic origin, the promastigote surface protease (PSP) of the protozoan parasite Leishmania contains a glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) membrane anchor. The GPI anchor of Leishmania major PSP was purified following proteolysis of the PSP and analyzed by two-dimensional 1H-1H NMR, compositional and methylation linkage analyses, chemical and enzymatic modifications, and amino acid sequencing. From these results, the structure of the GPI-containing peptide was found to be Asp-Gly-Gly-Asn-ethanolamine-PO4-6Man alpha 1-6Man alpha 1-4GlcN alpha 1-6myo-inositol-1-PO4-(1-alkyl-2-acyl-glycerol). The glycan structure is identical to the conserved glycan core regions of the GPI anchor of Trypanosoma brucei variant surface glycoprotein and rat brain Thy-1 antigen, supporting the notion that this portion of GPIs are highly conserved. The phosphatidylinositol moiety of the PSP anchor is unusual, containing a fully saturated, unbranched 1-O-alkyl chain (mainly C24:0) and a mixture of fully saturated unbranched 2-O-acyl chains (C12:0, C14:0, C16:0, and C18:0). This lipid composition differs significantly from those of the GPIs of T. brucei variant surface glycoprotein and mammalian erythrocyte acetylcholinesterase but is similar to that of a family of glycosylated phosphoinositides found uniquely in Leishmania.

Mucoviscidose: illustration de la complexité du dépistage génétique. [The example of cystic fibrosis to highlight the complexity of genetic screening].

Différentes organisations et différents pays aboutissent souvent à des conclusions différentes quant à la pertinence d'introduire un test de dépistage génétique dans la population générale. Cet article décrit la complexité du dépistage basé sur des tests génétiques. Utilisant l'exemple de la mucoviscidose - pour laquelle un groupe de travail national est en train d'évaluer la pertinence d'un dépistage génétique - les auteurs relèvent les situaions où les recommandations de dépistage sont parfois basées sur l'émergence de nouvelles technologies (par exemple, test génétique) et d'opinion publique plutôt que sur la base d'évidences. Ils présentent également les enjeux éthiques et économiques du dépistage génétique de la mucoviscidose. [Abstract] Various institutions and countries often reach different conclusions about the utility of introducing a newborn screening test in the general population. This paper highlights the complexity of population screening including genetic tests. Using the example of cystic fibrosis genetic screening, for which a Swiss Working Group for Cystic Fibrosis is currently evaluating the pertinence, we outline that screening recommendations are often based more on expert opinion and emerging new technologies rather than on evidence. We also present some ethical and economic issues related to cystic fibrosis genetic screening.

Ligands for pheromone-sensing neurons are not conformationally activated odorant binding proteins.

Pheromones form an essential chemical language of intraspecific communication in many animals. How olfactory systems recognize pheromonal signals with both sensitivity and specificity is not well understood. An important in vivo paradigm for this process is the detection mechanism of the sex pheromone (Z)-11-octadecenyl acetate (cis-vaccenyl acetate [cVA]) in Drosophila melanogaster. cVA-evoked neuronal activation requires a secreted odorant binding protein, LUSH, the CD36-related transmembrane protein SNMP, and the odorant receptor OR67d. Crystallographic analysis has revealed that cVA-bound LUSH is conformationally distinct from apo (unliganded) LUSH. Recombinantly expressed mutant versions of LUSH predicted to enhance or diminish these structural changes produce corresponding alterations in spontaneous and/or cVA-evoked activity when infused into olfactory sensilla, leading to a model in which the ligand for pheromone receptors is not free cVA, but LUSH that is "conformationally activated" upon cVA binding. Here we present evidence that contradicts this model. First, we demonstrate that the same LUSH mutants expressed transgenically affect neither basal nor pheromone-evoked activity. Second, we compare the structures of apo LUSH, cVA/LUSH, and complexes of LUSH with non-pheromonal ligands and find no conformational property of cVA/LUSH that can explain its proposed unique activated state. Finally, we show that high concentrations of cVA can induce neuronal activity in the absence of LUSH, but not SNMP or OR67d. Our findings are not consistent with the model that the cVA/LUSH complex acts as the pheromone ligand, and suggest that pheromone molecules alone directly activate neuronal receptors.

Expression and secretion of the atrial natriuretic peptide in human adipose tissue and preadipocytes.

OBJECTIVE: Atrial natriuretic peptide (ANP) is a secretory hormone displaying diuretic, natriuretic, and vasorelaxant activities. Recently, its lipolytic activity has been reported. Since the expression of ANP in adipose tissue has not been documented, we used real-time reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) to investigate the expression of ANP in human adipose tissue and preadipocytes. RESEARCH METHODS AND PROCEDURES: RNA was extracted from the human adipose tissue of severely obese premenopausal women as well as from human preadipocytes. For human preadipocytes, two cell systems were investigated: the human preadipose immortalized (Chub-S7) cells, a well-characterized human preadipose cell line, and primary preadipocytes derived from the stromal vascular fraction of the human adipose tissue. We measured the mRNA of ANP, of corin (a transmembrane serine protease involved in the conversion of pro-ANP to ANP) and of uncoupling protein 2 (UCP2; a control gene known to be ubiquitously expressed). The expression of ANP was also investigated using immunofluorescence and radioimmunoassay in Chub-S7 cells and human primary preadipocytes in culture. RESULTS: Our results indicate that ANP and corin are expressed at the mRNA level in human adipose tissue and preadipocytes. Immunofluorescence experiments demonstrated that pro-ANP was expressed in Chub-S7 cells. In addition, ANP secretion could be measured in Chub-S7 cells and human primary preadipocytes in culture. Rosiglitazone, a selective peroxisome proliferator-activated receptor type gamma (PPAR-gamma) agonist promoting adipocyte differentiation, was found to modulate both ANP expression and secretion in preadipocytes. DISCUSSION: Our findings suggest the existence of an autocrine/paracrine system for ANP in the human adipose tissue whose implications in lipolysis and cardiovascular function need to be further explored.

Use of constant denaturant capillary electrophoresis of pooled blood samples to identify single-nucleotide polymorphisms in the genes (Scnn1a and Scnn1b) encoding the alpha and beta subunits of the epithelial sodium channel.

BACKGROUND: The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits: alpha, beta, and gamma. Mutations in the Scnn1b and Scnn1g genes, which encode the beta and the gamma subunits of ENaC, cause a severe form of hypertension (Liddle syndrome). The contribution of genetic variants within the Scnn1a gene, which codes for the alpha subunit, has not been investigated. METHODS: We screened for mutations in the COOH termini of the alpha and beta subunits of ENaC. Blood from 184 individuals from 31 families participating in a study on the genetics of hypertension were analyzed. Exons 13 of Scnn1a and Scnn1b, which encode the second transmembrane segment and the COOH termini of alpha- and beta-ENaC, respectively, were amplified from pooled DNA samples of members of each family by PCR. Constant denaturant capillary electrophoresis (CDCE) was used to detect mutations in PCR products of the pooled DNA samples. RESULTS: The detection limit of CDCE for ENaC variants was 1%, indicating that all members of any family or up to 100 individuals can be analyzed in one CDCE run. CDCE profiles of the COOH terminus of alpha-ENaC in pooled family members showed that the 31 families belonged to four groups and identified families with genetic variants. Using this approach, we analyzed 31 rather than 184 samples. Individual CDCE analysis of members from families with different pooled CDCE profiles revealed five genotypes containing 1853G-->T and 1987A-->G polymorphisms. The presence of the mutations was confirmed by DNA sequencing. For the COOH terminus of beta-ENaC, only one family showed a different CDCE profile. Two members of this family (n = 5) were heterozygous at 1781C-->T (T594M). CONCLUSION: CDCE rapidly detects point mutations in these candidate disease genes.

La biologie moléculaire est-elle utile au praticien [Is molecular biology useful to the practitioner?]

The relative importance of molecular biology in clinical practice is often underestimated. However, numerous procedures in clinical diagnosis and new therapeutic drugs have resulted from basic molecular research. Furthermore, understanding of the physiological and physiopathological mechanisms underlying several human diseases has been improved by the results of basic molecular research. For example, cloning of the gene encoding leptin has provided spectacular insights into the understanding of the mechanisms involved in the control of food intake and body weight maintenance in man. In cystic fibrosis, the cloning and identification of several mutations in the gene encoding the chloride channel transmembrane regulator (CFTR) have resolved several important issues in clinical practice: cystic fibrosis constitutes a molecular defect of a single gene. There is a strong correlation between the clinical manifestations or the severity of the disease (phenotype) with the type of mutations present in the CFTR gene (genotype). More recently, identification of mutations in the gene encoding a subunit of the renal sodium channel in the Liddle syndrome has provided important insight into the physiopathological understanding of mechanisms involved in this form of hereditary hypertension. Salt retention and secondary high blood pressure are the result of constitutive activation of the renal sodium channel by mutations in the gene encoding the renal sodium channel. It is speculated that less severe mutations in this channel could result in a less severe form of hypertension which may correspond to patients suffering from high blood pressure with low plasma renin activity. Several tools, most notably PCR, are derived from molecular research and are used in everyday practice, i.e. in prenatal diagnosis and in the diagnosis of several infectious diseases including tuberculosis and hepatitis. Finally, the production of recombinant proteins at lower cost and with fewer side effects is used in everyday clinical practice. Gene therapy remains an extraordinary challenge in correcting severe hereditary or acquired diseases. The use of genetically modified animal cell lines producing growth factors, insulin or erythropoetin, which are subsequently encapsulated and transferred to man, represents an attractive approach for gene therapy.

On the molecular basis of ion permeation in the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na+ channel (ENaC) is highly selective for Na+ and Li+ over K+ and is blocked by the diuretic amiloride. ENaC is a heterotetramer made of two alpha, one beta, and one gamma homologous subunits, each subunit comprising two transmembrane segments. Amino acid residues involved in binding of the pore blocker amiloride are located in the pre-M2 segment of beta and gamma subunits, which precedes the second putative transmembrane alpha helix (M2). A residue in the alpha subunit (alphaS589) at the NH2 terminus of M2 is critical for the molecular sieving properties of ENaC. ENaC is more permeable to Li+ than Na+ ions. The concentration of half-maximal unitary conductance is 38 mM for Na+ and 118 mM for Li+, a kinetic property that can account for the differences in Li+ and Na+ permeability. We show here that mutation of amino acid residues at homologous positions in the pre-M2 segment of alpha, beta, and gamma subunits (alphaG587, betaG529, gammaS541) decreases the Li+/Na+ selectivity by changing the apparent channel affinity for Li+ and Na+. Fitting single-channel data of the Li+ permeation to a discrete-state model including three barriers and two binding sites revealed that these mutations increased the energy needed for the translocation of Li+ from an outer ion binding site through the selectivity filter. Mutation of betaG529 to Ser, Cys, or Asp made ENaC partially permeable to K+ and larger ions, similar to the previously reported alphaS589 mutations. We conclude that the residues alphaG587 to alphaS589 and homologous residues in the beta and gamma subunits form the selectivity filter, which tightly accommodates Na+ and Li+ ions and excludes larger ions like K+.

A novel TMPRSS3 missense mutation in a DFNB8/10 family prevents proteolytic activation of the protein.

Pathogenic mutations in TMPRSS3, which encodes a transmembrane serine protease, cause non-syndromic deafness DFNB8/10. Missense mutations map in the low density-lipoprotein receptor A (LDLRA), scavenger-receptor cysteine-rich (SRCR), and protease domains of the protein, indicating that all domains are important for its function. TMPRSS3 undergoes proteolytic cleavage and activates the ENaC sodium channel in a Xenopus oocyte model system. To assess the importance of this gene in non-syndromic childhood or congenital deafness in Turkey, we screened for mutations affected members of 25 unrelated Turkish families. The three families with the highest LOD score for linkage to chromosome 21q22.3 were shown to harbor P404L, R216L, or Q398X mutations, suggesting that mutations in TMPRSS3 are a considerable contributor to non-syndromic deafness in the Turkish population. The mutant TMPRSS3 harboring the novel R216L missense mutation within the predicted cleavage site of the protein fails to undergo proteolytic cleavage and is unable to activate ENaC, thus providing evidence that pre-cleavage of TMPRSS3 is mandatory for normal function.

Imatinib plasma concentrations variability in hemato-oncologic patients

Abstract Imatinib (Glivec~ has transformed the treatment and prognosis of chronic myeloid leukaemia (CML) and of gastrointestinal stromal tumor (GIST). However, the treatment must be taken indefinitely and is not devoid of inconvenience and toxicity. Moreover, resistance or escape from disease control occurs. Considering the large interindividual differences in the function of the enzymatic and transport systems involved in imatinib disposition, exposure to this drug can be expected to vary widely among patients. Among those known systems is a cytochrome P450 (CYI'3A4) that metabolizes imatinib, the multidrug transporter P-glycoprotein (P-gp; product of the MDR1 gene) that expels imatinib out of cells, and al-acid glycoprotein (AGP), a circulating protein binding imatinib in the plasma. The aim of this observational study was to explore the influence of these covariates on imatinib pharmacokinetics (PK), to assess the interindividual variability of the PK parameters of the drug, and to evaluate whether imatinib use would benefit from a therapeutic drug monitoring (TDM) program. A total of 321 plasma concentrations were measured in 59 patients receiving imatinib, using a validated chromatographic method developed for this study (HPLC-LTV). The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A one-compartment pharmacokinetic model with first-order absorption appropriately described the data, and a large interindividual variability was observed. The MDK> polymorphism 3435C>T and the CYP3A4 activity appeared to modulate the disposition of imatinib, albeit not significantly. A hyperbolic relationship between plasma AGP levels and oral clearance, as well as volume of distribution, was observed. A mechanistic approach was built up, postulating that only the unbound imatinib concentration was able to undergo first-order elimination. This approach allowed determining an average free clearance (CL,~ of 13101/h and a volume of distribution (Vd) of 301 1. By comparison, the total clearance determined was 141/h (i.e. 233 ml/min). Free clearance was affected by body weight and pathology diagnosis. The estimated variability of imatinib disposition (17% for CLu and 66% for Vd) decreased globally about one half with the model incorporating the AGP impact. Moreover, some associations were observed between PK parameters of the free imatinib concentration and its efficacy and toxicity. Finally, the functional influence of P-gp activity has been demonstrated in vitro in cell cultures. These elements are arguments to further investigate the possible usefulness of a TDM program for imatinib. It may help in individualizing the dosing regimen before overt disease progression or development of treatment toxicity, thus improving both the long-term therapeutic effectiveness and tolerability of this drug. Résumé L'imatinib (Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de la leucémie myéloïde chronique (LMC) et des tumeurs stromales d'origine digestive (GIST). Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. Par ailleurs, une résistance, ou des échappements au traitement, sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans l'organisme dépend de systèmes enzymatiques et de transport connus pour présenter de grandes différences interindividuelles, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, on note un cytochrome P450 (le CYP3A4) métabolisant l'imatinib, la P-glycoprotéine (P-gp ;codée par le gène MDR1), un transporteur d'efflux expulsant le médicament hors des cellules, et l'atglycoprotéine acide (AAG), une protéine circulante sur laquelle se fixe l'imatinib dans le plasma. L'objectif de la présente étude clinique a été de déterminer l'influence de ces covariats sur la pharmacocinétique (PK) de l'imatinib, d'établir la variabilité interindividuelle des paramètres PK du médicament, et d'évaluer dans quelle mesure l'imatinib pouvait bénéficier d'un programme de suivi thérapeutique (TDM). En utilisant une méthode chromatographique développée et validée à cet effet (HPLC-UV), un total de 321 concentrations plasmatiques a été dosé chez 59 patients recevant de l'imatinib. Les résultats ont été analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle pharmacocinétique à un compartiment avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données, et une grande variabilité interindividuelle a été observée. Le polymorphisme du gène MDK1 3435C>T et l'activité du CYP3A4 ont montré une influence, toutefois non significative, sur le devenir de l'imatinib. Une relation hyperbolique entre les taux plasmatiques d'AAG et la clairance, comme le volume de distribution, a été observée. Une approche mécanistique a donc été élaborée, postulant que seule la concentration libre subissait une élimination du premier ordre. Cette approche a permis de déterminer une clairance libre moyenne (CLlibre) de 13101/h et un volume de distribution (Vd) de 301 l. Par comparaison, la clairance totale était de 141/h (c.à.d. 233 ml/min). La CLlibre est affectée par le poids corporel et le type de pathologie. La variabilité interindividuelle estimée pour le devenir de l'imatinib (17% sur CLlibre et 66% sur Vd) diminuait globalement de moitié avec le modèle incorporant l'impact de l'AAG. De plus, une certaine association entre les paramètres PK de la concentration d'imatinib libre et l'efficacité et la toxicité a été observée. Finalement, l'influence fonctionnelle de l'activité de la P-gp a été démontrée in nitro dans des cultures cellulaires. Ces divers éléments constituent des arguments pour étudier davantage l'utilité potentielle d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Un tel suivi pourrait aider à l'individualisation des régimes posologiques avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant tant l'efficacité que la tolérabilité de ce médicament. Résumé large public L'imatinib (un médicament commercialisé sous le nom de Glivec ®) a révolutionné le traitement et le pronostic de deux types de cancers, l'un d'origine sanguine (leucémie) et l'autre d'origine digestive. Il s'agit toutefois d'un traitement non dénué d'inconvénients et de toxicité, et qui doit être pris indéfiniment. De plus, des résistances ou des échappements au traitement sont également rencontrés. Le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline appelée pharmacocinétique) dépend de systèmes connus pour présenter de grandes différences entre les individus, et l'on peut s'attendre à ce que l'exposition à ce médicament varie largement d'un patient à l'autre. Parmi ces systèmes, l'un est responsable de la dégradation du médicament dans le foie (métabolisme), l'autre de l'expulsion du médicament hors des cellules cibles, alors que le dernier consiste en une protéine (dénommée AAG) qui transporte l'imatinib dans le sang. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'influence de ces différents systèmes sur le comportement pharmacocinétique de l'imatinib chez les patients, et d'étudier dans quelle mesure le devenir de ce médicament dans l'organisme variait d'un patient à l'autre. Enfin, cette étude avait pour but d'évaluer à quel point la surveillance des concentrations d'imatinib présentes dans le sang pourrait améliorer le traitement des patients cancéreux. Une telle surveillance permet en fait de connaître l'exposition effective de l'organisme au médicament (concept abrégé par le terme anglais TDM, pour Therapeutic Drag Monitoring. Ce projet de recherche a d'abord nécessité la mise au point d'une méthode d'analyse pour la mesure des quantités (ou concentrations) d'imatinib présentes dans le sang. Cela nous a permis d'effectuer régulièrement des mesures chez 59 patients. Il nous a ainsi été possible de décrire le devenir du médicament dans le corps à l'aide de modèles mathématiques. Nous avons notamment pu déterminer chez ces patients la vitesse à laquelle l'imatinib est éliminé du sang et l'étendue de sa distribution dans l'organisme. Nous avons également observé chez les patients que les concentrations sanguines d'imatinib étaient très variables d'un individu à l'autre pour une même dose de médicament ingérée. Nous avons pu aussi mettre en évidence que les concentrations de la protéine AAG, sur laquelle l'imatinib se lie dans le sang, avait une grande influence sur la vitesse à laquelle le médicament est éliminé de l'organisme. Ensuite, en tenant compte des concentrations sanguines d'imatinib et de cette protéine, nous avons également pu calculer les quantités de médicament non liées à cette protéine (= libres), qui sont seules susceptibles d'avoir une activité anticancéreuse. Enfin, il a été possible d'établir qu'il existait une certaine relation entre ces concentrations, l'effet thérapeutique et la toxicité du traitement. Tous ces éléments constituent des arguments pour approfondir encore l'étude de l'utilité d'un programme de TDM appliqué à l'imatinib. Comme chaque patient est différent, un tel suivi pourrait aider à l'ajustement des doses du médicament avant la progression manifeste de la maladie ou l'apparition de toxicité, améliorant ainsi tant son efficacité que son innocuité.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Critical flux and fouling in ultrafiltration of proteins

In this thesis different parameters influencing critical flux in protein ultrafiltration and membrane foul-ing were studied. Short reviews of proteins, cross-flow ultrafiltration, flux decline and criticalflux and the basic theory of Partial Least Square analysis (PLS) are given at the beginning. The experiments were mainly performed using dilute solutions of globular proteins, commercial polymeric membranes and laboratory scale apparatuses. Fouling was studied by flux, streaming potential and FTIR-ATR measurements. Critical flux was evaluated by different kinds of stepwise procedures and by both con-stant pressure and constant flux methods. The critical flux was affected by transmembrane pressure, flow velocity, protein concentration, mem-brane hydrophobicity and protein and membrane charges. Generally, the lowest critical fluxes were obtained at the isoelectric points of the protein and the highest in the presence of electrostatic repulsion between the membrane surface and the protein molecules. In the laminar flow regime the critical flux increased with flow velocity, but not any more above this region. An increase in concentration de-creased the critical flux. Hydrophobic membranes showed fouling in all charge conditionsand, furthermore, especially at the beginning of the experiment even at very low transmembrane pressures. Fouling of these membranes was thought to be due to protein adsorption by hydrophobic interactions. The hydrophilic membranes used suffered more from reversible fouling and concentration polarisation than from irreversible foul-ing. They became fouled at higher transmembrane pressures becauseof pore blocking. In this thesis some new aspects on critical flux are presented that are important for ultrafiltration and fractionation of proteins.

ORMDL proteins are a conserved new family of endoplasmic reticulum membrane proteins

Background: Annotations of completely sequenced genomes reveal that nearly half of the genes identified are of unknown function, and that some belong to uncharacterized gene families. To help resolve such issues, information can be obtained from the comparative analysis of homologous genes in model organisms. Results: While characterizing genes from the retinitis pigmentosa locus RP26 at 2q31-q33, we have identified a new gene, ORMDL1, that belongs to a novel gene family comprising three genes in humans (ORMDL1, ORMDL2 and ORMDL3), and homologs in yeast, microsporidia, plants, Drosophila, urochordates and vertebrates. The human genes are expressed ubiquitously in adult and fetal tissues. The Drosophila ORMDL homolog is also expressed throughout embryonic and larval stages, particularly in ectodermally derived tissues. The ORMDL genes encode transmembrane proteins anchored in the endoplasmic reticulum (ER). Double knockout of the two Saccharomyces cerevisiae homologs leads to decreased growth rate and greater sensitivity to tunicamycin and dithiothreitol. Yeast mutants can be rescued by human ORMDL homologs. Conclusions: From protein sequence comparisons we have defined a novel gene family, not previously recognized because of the absence of a characterized functional signature. The sequence conservation of this family from yeast to vertebrates, the maintenance of duplicate copies in different lineages, the ubiquitous pattern of expression in human and Drosophila, the partial functional redundancy of the yeast homologs and phenotypic rescue by the human homologs, strongly support functional conservation. Subcellular localization and the response of yeast mutants to specific agents point to the involvement of ORMDL in protein folding in the ER.

ErbB Ligands in Angiogenesis

The formation of new blood vessels, i.e. angiogenesis, is an important phenomenon during normal development and wound repair, as well as during various pathological processes, such as tumor growth and metastasis. Specific growth factors regulate angiogenesis by modulating the different cellular functions of endothelial cells (EC), and periendothelial cells, such as pericytes (PC) and smooth muscle cells (SMC), which interact with ECs in a paracrine manner. ErbB receptors form a subgroup of transmembrane receptor tyrosine kinases that interact with growth factors of the epidermal growth factor (EGF) family. ErbB receptors regulate behaviour of a variety of normal as well as tumor cell types. Cancer drugs that target epidermal growth factor receptor (EGFR, ErbB1) or ErbB2 receptor have been approved for clinical use. It has been speculated that part of the antitumor activity of ErbB inhibitor compounds result from an antiangiogenic mechanism. The results presented here indicate a role for endothelial-derived EGF-like growth factors heparin binding EGF-like growth factor (HB-EGF) and neuregulin-1 (NRG-1) in the paracrine regulation of angiogenesis. HB-EGF, EGFR and ErbB2 are shown to mediate interaction between ECs and SMCs in vitro, and gefitinib, an inhibitor of EGFR kinase activity, suppresses recruitment of PCs/SMCs in vivo. NRG-1 is shown to regulate EC functions in vitro and angiogenesis in vivo by indirect mechanisms involving vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A) and VEGF receptor-2 (VEGFR-2). Furthermore, EGFR activity is demonstrated to regulate recruitment of bone marrow-derived perivascular cells during tumor neovascularization in vivo. These results indicate that ErbB signaling is involved in the cellular processes of new blood vessel formation. This study gives new information about the role of ErbB ligands and receptors in angiogenesis and vasculogenesis and about the mechanisms by which ErbB inhibitor drugs such as gefitinib affect tumor growth.