Effects of large anphiphilic ligands upon the spectra and kinetics of cytochrome C oxidase

Cytoch ro me c oxidase (ferrocytochrome c : 02 oxidoreductase ; EC 1.9. 3.1) is the terminal enzyme in the mitochondrial electron transport chain, catalyzing the transfer of electrons from ferrocytochrome c to molecular oxygen. The effects of two large amphiphilic molecules .. valinomycin and dibucaine upon the spectra of the isolated enzyme and upon the activity of both isolated enzyme and enzyme in membrane systems are investigated by using spectrophotometric and oxygen electrode techniques. The results show that both valinomycin and dibucaine change the Soret region of the spectrum and cause a partial inhibition in a concentration range higher than that in which they act as ionophores. It is concluded that both valinomycin and dibucain~ binding induce a conformational change of the protein structure which modifies the spectrum of the a3 CUB centre and diminishes the rate of electron transfer between cytochrome a and the binuclear centre.

Effects of large anphiphilic ligands upon the spectra and kinetics of cytochrome C oxidase

Cytoch ro me c oxidase (ferrocytochrome c : 02 oxidoreductase ; EC 1.9. 3.1) is the terminal enzyme in the mitochondrial electron transport chain, catalyzing the transfer of electrons from ferrocytochrome c to molecular oxygen. The effects of two large amphiphilic molecules - valinomycin and dibucaine upon the spectra of the isolated enzyme and upon the activity of both isolated enzyme and enzyme in membrane systems are investigated by using spectrophotometric and oxygen electrode techniques. The results show that both valinomycin and dibucaine change the Soret region of the speetrum and cause a partial inhibition in a concentration range higher than that in which they act as ionophores. It is concluded that both valinomycin and dibucaine binding induce a conformational change of the protein structure which modifies the spectrum of the a3 CUB centre and diminishes the rate of electron transfer between cytochrome a and the binuclear centre.

Evaluation of mitochondrial function in a model of developmental programming of hypertension associated with transient neonatal oxygen exposure

UNE EXPOSITION NÉONATALE À L’OXYGÈNE MÈNE À DES MODIFICATIONS DE LA FONCTION MITOCHONDRIALE CHEZ LE RAT ADULTE Introduction: L’exposition à l’oxygène (O2) des ratons nouveau-nés a des conséquences à l’âge adulte dont une hypertension artérielle (HTA), une dysfonction vasculaire, une néphropénie et des indices de stress oxydant. En considérant que les reins sont encore en développement actif lors des premiers jours après la naissance chez les rats, jouent un rôle clé dans le développement de l’hypertension et qu’une dysfonction mitochondriale est associé à une augmentation du stress oxydant, nous postulons que les conditions délétères néonatales peuvent avoir un impact significatif au niveau rénal sur la modulation de l’expression de protéines clés du fonctionnement mitochondrial et une production mitochondriale excessive d’espèces réactives de l’ O2. Méthodes: Des ratons Sprague-Dawley sont exposés à 80% d’O2 (H) ou 21% O2 (Ctrl) du 3e au 10e jr de vie. En considérant que plusieurs organes des rats sont encore en développement actif à la naissance, ces rongeurs sont un modèle reconnu pour étudier les complications d’une hyperoxie néonatale, comme celles liées à une naissance prématurée chez l’homme. À 4 et à 16 semaines, les reins sont prélevés et les mitochondries sont extraites suivant une méthode d’extraction standard, avec un tampon contenant du sucrose 0.32 M et différentes centrifugations. L’expression des protéines mitochondriales a été mesurée par Western blot, tandis que la production d’ H202 et les activités des enzymes clés du cycle de Krebs ont été évaluées par spectrophotométrie. Les résultats sont exprimés par la moyenne ± SD. Résultats: Les rats mâles H de 16 semaines (n=6) présentent une activité de citrate synthase (considéré standard interne de l’expression protéique et de l’abondance mitochondriales) augmentée (12.4 ± 8.4 vs 4.1 ± 0.5 μmole/mL/min), une diminution de l’activité d’aconitase (enzyme sensible au redox mitochondrial) (0.11 ± 0.05 vs 0.20 ± 0.04 μmoles/min/mg mitochondrie), ainsi qu’une augmentation dans la production de H202 (7.0 ± 1.3 vs 5.4 ± 0.8 ρmoles/mg protéines mitochondriales) comparativement au groupe Ctrl (n=6 mâles et 4 femelles). Le groupe H (vs Ctrl) présente également une diminution dans l’expression de peroxiredoxin-3 (Prx3) (H 0.61±0.06 vs. Ctrl 0.78±0.02 unité relative, -23%; p<0.05), une protéine impliquée dans l’élimination d’ H202, de l’expression du cytochrome C oxidase (Complexe IV) (H 1.02±0.04 vs. Ctrl 1.20±0.02 unité relative, -15%; p<0.05), une protéine de la chaine de respiration mitochondriale, tandis que l’expression de la protéine de découplage (uncoupling protein)-2 (UCP2), impliquée dans la dispersion du gradient proton, est significativement augmentée (H 1.05±0.02 vs. Ctrl 0.90±0.03 unité relative, +17%; p<0.05). Les femelles H (n=6) (vs Ctrl, n=6) de 16 semaines démontrent une augmentation significative de l’activité de l’aconitase (0.33±0.03 vs 0.17±0.02 μmoles/min/mg mitochondrie), de l’expression de l’ATP synthase sous unité β (H 0.73±0.02 vs. Ctrl 0.59±0.02 unité relative, +25%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 0.89±0.02 vs. Ctrl 0.74±0.03 unité relative, +20%; p<0.05) (superoxide dismutase mitochondriale, important antioxidant), tandis que l’expression de Prx3 est significativement réduite (H 1.1±0.07 vs. Ctrl 0.85±0.01 unité relative, -24%; p<0.05). À 4 semaines, les mâles H (vs Ctrl) présentent une augmentation significative de l’expression de Prx3 (H 0.72±0.03 vs. Ctrl 0.56±0.04 unité relative, +31%; p<0.05) et les femelles présentent une augmentation significative de l’expression d’UCP2 (H 1.22±0.05 vs. Ctrl 1.03±0.04 unité relative, +18%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 1.36±0.01 vs. 1.19±0.06 unité relative, +14%; p<0.05). Conclusions: Une exposition néonatale à l’O2 chez le rat adulte mène à des indices de dysfonction mitochondriale dans les reins adultes, associée à une augmentation dans la production d’espèces réactives de l’oxygène, suggérant que ces modifications mitochondriales pourraient jouer un rôle dans l’hypertension artérielle et d’un stress oxydant, et par conséquent, être un facteur possible dans la progression vers des maladies cardiovasculaires. Mots-clés: Mitochondries, Reins, Hypertension, Oxygène, Stress Oxydant, Programmation

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Carbon monoxide inhibits L-type Ca2+ channels via redox modulation of key cysteine residues by mitochondrial reactive oxygen species

Conditions of stress, such as myocardial infarction, stimulate up-regulation of heme oxygenase (HO-1) to provide cardioprotection. Here, we show that CO, a product of heme catabolism by HO-1, directly inhibits native rat cardiomyocyte L-type Ca2+ currents and the recombinant alpha1C subunit of the human cardiac L-type Ca2+ channel. CO (applied via a recognized CO donor molecule or as the dissolved gas) caused reversible, voltage-independent channel inhibition, which was dependent on the presence of a spliced insert in the cytoplasmic C-terminal region of the channel. Sequential molecular dissection and point mutagenesis identified three key cysteine residues within the proximal 31 amino acids of the splice insert required for CO sensitivity. CO-mediated inhibition was independent of nitric oxide and protein kinase G but was prevented by antioxidants and the reducing agent, dithiothreitol. Inhibition of NADPH oxidase and xanthine oxidase did not affect the inhibitory actions of CO. Instead, inhibitors of complex III (but not complex I) of the mitochondrial electron transport chain and a mitochondrially targeted antioxidant (Mito Q) fully prevented the effects of CO. Our data indicate that the cardioprotective effects of HO-1 activity may be attributable to an inhibitory action of CO on cardiac L-type Ca2+ channels. Inhibition arises from the ability of CO to promote generation of reactive oxygen species from complex III of mitochondria. This in turn leads to redox modulation of any or all of three critical cysteine residues in the channel's cytoplasmic C-terminal tail, resulting in channel inhibition.

Regulation of bcl-2 family proteins during development and in response to oxidative stress in cardiac myocytes: association with changes in mitochondrial membrane potential.

Cardiac myocyte apoptosis is potentially important in many cardiac disorders. In other cells, Bcl-2 family proteins and mitochondrial dysfunction are probably key regulators of the apoptotic response. In the present study, we characterized the regulation of antiapoptotic (Bcl-2, Bcl-xL) and proapoptotic (Bad, Bax) Bcl-2 family proteins in the rat heart during development and in oxidative stress-induced apoptosis. Bcl-2 and Bcl-xL were expressed at high levels in the neonate, and their expression was sustained during development. In contrast, although Bad and Bax were present at high levels in neonatal hearts, they were barely detectable in adult hearts. We confirmed that H(2)O(2) induced cardiac myocyte cell death, stimulating poly(ADP-ribose) polymerase proteolysis (from 2 hours), caspase-3 proteolysis (from 2 hours), and DNA fragmentation (from 8 hours). In unstimulated neonatal cardiac myocytes, Bcl-2 and Bcl-xL were associated with the mitochondria, but Bad and Bax were predominantly present in a crude cytosolic fraction. Exposure of myocytes to H(2)O(2) stimulated rapid translocation of Bad (<5 minutes) to the mitochondria. This was followed by the subsequent degradation of Bad and Bcl-2 (from approximately 30 minutes). The levels of the mitochondrial membrane marker cytochrome oxidase remained unchanged. H(2)O(2) also induced translocation of cytochrome c from the mitochondria to the cytosol within 15 to 30 minutes, which was indicative of mitochondrial dysfunction. Myocytes exposed to H(2)O(2) showed an early loss of mitochondrial membrane potential (assessed by fluorescence-activated cell sorter analysis) from 15 to 30 minutes, which was partially restored by approximately 1 hour. However, a subsequent irreversible loss of mitochondrial membrane potential occurred that correlated with cell death. These data suggest that the regulation of Bcl-2 and mitochondrial function are important factors in oxidative stress-induced cardiac myocyte apoptosis.

Oleic Acid Modulates Metabolic Substrate Channeling during Glucose-Stimulated Insulin Secretion via NAD(P)H Oxidase

Positive acute effects of fatty acids (FA) on glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) and reactive oxygen species (ROS) formation have been reported. However, those studies mainly focused on palmitic acid actions, and reports on oleic acid (OA) are scarce. In this study, the effect of physiological OA levels on beta-cell function and the mechanisms involved were investigated. Analyses of insulin secretion, FA and glucose oxidation, and ROS formation showed that, at high glucose concentration, OA treatment increases GSIS in parallel with increased ROS content. At high glucose, OA oxidation was increased, accompanied by a suppression of glucose oxidation. Using approaches for protein knockdown of FA receptor G protein-coupled receptor 40 (GPR40) and of p47(PHOX), a reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate [NAD(P) H] oxidase component, we observed that GPR40 does not mediate OA effects on ROS formation and GSIS. However, in p47(PHOX) knockdown islets, OA-induced ROS formation and the inhibitory effect of OA on glucose metabolism was abolished. Similar results were obtained by pharmacological inhibition of protein kinase C, a known activator of NAD(P) H oxidase. Thus, ROS derived from OA metabolism via NAD(P) H oxidase are an inhibitor of glucose oxidation. Put together, these results indicate that OA acts as a modulator of glucose oxidation via ROS derived from its own metabolism in beta-cells. (Endocrinology 152: 3614-3621, 2011)

Characterization of Gtf1p, the Connector Subunit of Yeast Mitochondrial tRNA-dependent Amidotransferase

The bacterial GatCAB operon for tRNA-dependent amidotransferase (AdT) catalyzes the transamidation of mischarged glutamyl-tRNA(Gln) to glutaminyl-tRNA(Gln). Here we describe the phenotype of temperature-sensitive (ts) mutants of GTF1, a gene proposed to code for subunit F of mitochondrial AdT in Saccharomyces cerevisiae. The ts gtf1 mutants accumulate an electrophoretic variant of the mitochondrially encoded Cox2p subunit of cytochrome oxidase and an unstable form of the Atp8p subunit of the F(1)-F(0) ATP synthase that is degraded, thereby preventing assembly of the F(0) sector. Allotopic expression of recoded ATP8 and COX2 did not significantly improve growth of gtf1 mutants on respiratory substrates. However, ts gft1 mutants are partially rescued by overexpression of PET112 and HER2 that code for the yeast homologues of the catalytic subunits of bacterial AdT. Additionally, B66, a her2 point mutant has a phenotype similar to that of gtf1 mutants. These results provide genetic support for the essentiality, in vivo, of the GatF subunit of the heterotrimeric AdT that catalyzes formation of glutaminyl-tRNA(Gln) (Frechin, M., Senger, B., Braye, M., Kern, D., Martin, R. P., and Becker, H. D. (2009) Genes Dev. 23, 1119-1130).

Neonatal mitochondrial encephaloneuromyopathy due to a defect of mitochondrial protein synthesis

Mitochondrial diseases are clinically and genetically heterogeneous disorders due to primary mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) or nuclear DNA (nDNA). We studied a male infant with severe congenital encephalopathy, peripheral neuropathy, and myopathy. The patient`s lactic acidosis and biochemical defects of respiratory chain complexes I, III, and IV in muscle indicated that he had a mitochondrial disorder while parental consanguinity suggested autosomal recessive inheritance. Cultured fibroblasts from the patient showed a generalized defect of mitochondrial protein synthesis. Fusion of cells from the patient with 143B206 rho(0) cells devoid of mtDNA restored cytochrome c oxidase activity confirming the nDNA origin of the disease. Our studies indicate that the patient has a novel autosomal recessive defect of mitochondrial protein synthesis. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

trans, trans-2,4-decadienal induces mitochondrial dysfunction and oxidative stress

Lipid peroxidation produces a large number of reactive aldehydes as secondary products. We have previously shown that the reaction of cytochrome c with trans,trans-2, 4-decadienal (DDE), an aldehyde generated as a product of lipid peroxidation in cell membranes, results in the formation of adducts. Mass spectrometry analysis indicated that His-33, Lys-39, Lys-72 and Lys-100 in cytochrome c were modified by DDE. In the present work, we investigated the effect of DDE on isolated rat liver mitochondria. DDE (162 mu M) treatment increases the rate of mitochondrial oxygen consumption. Extensive mitochondrial swelling upon treatment with DDE (900 nM-162 mu M) was observed by light scattering and transmission electron microscopy experiments. DDE-induced loss of inner mitochondrial membrane potentials, monitored by safranin O fluorescence, was also observed. Furthermore, DDE-treated mitochondria showed an increase in lipid peroxidation, as monitored by MDA formation. These results suggest that reactive aldehydes promote mitochondrial dysfunction.

Mitochondrial ATP-sensitive K(+) channels as redox signals to liver mitochondria in response to hypertriglyceridemia

We have recently demonstrated that hypertriglyceridemic (HTG) mice present both elevated body metabolic rates and mild mitochondrial uncoupling in the liver owing to stimulated activity of the ATP-sensitive potassium channel (mitoK(ATP)). Because lipid excess normally leads to cell redox imbalance, we examined the hepatic oxidative status in this model. Cell redox imbalance was evidenced by increased total levels of carbonylated proteins, malondialdehydes, and GSSG/GSH ratios in HTG livers compared to wild type. In addition, the activities of the extramitochondrial enzymes NADPH oxidase and xanthine oxidase were elevated in HTG livers. In contrast, Mn-superoxide dismutase activity and content, a mitochondrial matrix marker, were significantly decreased in HTG livers. isolated HTG liver mitochondria presented lower rates of H(2)O(2) production, which were reversed by mitoK(ATP) antagonists. In vivo antioxidant treatment with N-acetylcysteine decreased both mitoKATP activity and metabolic rates in HTG mice. These data indicate that high levels of triglycerides increase reactive oxygen generation by extramitochondrial enzymes that promote MitoK(ATP) activation. The mild uncoupling mediated by mitoK(ATP) increases metabolic rates and protects mitochondria against oxidative damage. Therefore, a biological role for mitoK(ATP) is a redox sensor is shown here for the first time in an in vivo model of systemic and cellular lipid excess, (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Mitochondrial DNA polymorphism and heteroplasmy in populations of Aedes aegypti in Brazil

The tropical mosquito Aedes aegypti (Diptera: Culicidae) is the most important domestic vector of urban yellow fever and dengue viruses. Ae. aegypti originated from Africa and was probably introduced into Brazil during the colonial period through embarkations, and dengue epidemics soon followed. Genetic analysis of 12 Ae. aegypti populations from five states in Brazil was conducted based on two mitochondrial DNA fragments: cytochrome oxidase I and NADH dehydrogenase subunit 4. Analyses comparing individual haplotypes indicated the existence of two well-defined clades, probably representing two mitochondrial lineages. Analysis of molecular variance showed significant variability in genetic structure among collections within groups. Mantel regression analysis showed a correlation between genetic and geographic distances, mainly because of northern and northeastern populations, in comparison with those in the southeast. The population from Santos, the largest port in Brazil, showed the greatest diversity, with 10 unique haplotypes, an indication of recent introductions that have not yet spread to other Brazilian cities. Different mitochondrial DNA sequences were found in three specimens, indicating the presence of heteroplasmy.

Phylogeny of leafcutter ants in the genus Atta Fabricius (Formicidae: Attini) based on mitochondrial and nuclear DNA sequences

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Exploitation of mitochondrial nad6 as a complementary marker for studying population variability in Lepidoptera

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Dehydromonocrotaline inhibits mitochondrial complex 1. A potential mechanism accounting for hepatotoxicity of monocrotaline

Monocrotaline is a pyrrolizidine alkaloid present in plants of the Crotalaria species, which causes cytotoxicity and genotoxicity, including hepatotoxicity in animals and humans. It is metabolized by cytochrome P-450 in the liver to the alkylating agent dehydromonocrotaline. We evaluated the effects of monocrotaline and its metabolite on respiration, membrane potential and ATP levels in isolated rat liver mitochondria, and on respiratory chain complex I NADH oxidase activity in submitochondrial particles. Dehydromonocrotaline, but not the parent compound, showed a concentration-dependent inhibition of glutamate/malate-supported state 3 respiration (respiratory chain complex 1), but did not affect succinate-supported respiration (complex II). Only dehydromonocrotaline dissipated mitochondrial membrane potential, depleted ATP, and inhibited complex I NADH oxidase activity (IC50 = 62.06 mu M) through a non-competitive type of inhibition (K-I = 8.1 mu M). Therefore, dehydromonocrotaline is an inhibitor of the activity of respiratory chain complex I NADH oxidase, an action potentially accounting for the well-documented monocrotaline's hepatotoxicity to animals and humans. The mechanism probably involves change of the complex I conformation resulting from modification of cysteine thiol groups by the metabolite. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.